鋁空氣電池

　　盡管鋰是電池材料之王，但是也有人在做其它嘗試。因為事實上鋰的開采相對較為困難，而且在電子釋放性能上還有一些材料的表現(xiàn)更好

　　一個名為Phinergy的以色列公司和其它競爭者則在最近幾年里正在研究一種完全不需要的鋰的電池技術(shù)：鋁空氣電池。理論上而言，這種電池可以在幾分鐘內(nèi)充好電。在這種新型的電池中，其中的一個電極是鋁板，而另一個電極則是氧氣。準確地說是氧和水電解質(zhì)。當(dāng)氧與鋁板發(fā)生交互作用時，就會產(chǎn)生能量。

　　鋁空氣電池已經(jīng)出現(xiàn)了很長一段時間了，但近些時間來人們對這項技術(shù)的興趣正變得越來越大。在2002年，一篇發(fā)表在Journal of Power Sources雜志上文章將這項技術(shù)放到了聚光燈下面，那時一組研究人員認為鋁空氣電池是唯一可以代替汽油的選擇。理論上來講，這種電池的容量可以達到鋰離子電池的40倍，而Phinergy則聲稱他們可以利用這項技術(shù)將電動汽車的行駛距離提升到1000英里（約1600千米）。

　　那么，我們還要多久才能用上這種電池呢？這種形式的能量產(chǎn)生模式有一個固有的缺陷。當(dāng)鋁和氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生能量時，可用的鋁含量會隨著放電而減少。另外，這種電池只有一個電流方向：從陽極到陰極。這就意味著這種電池是不能充電的，所以當(dāng)電池的電用光之后，必須取下來回收更換新的電池。

　　這極大地限制了鋁空氣電池的大規(guī)模應(yīng)用推廣。但是對于電動汽車來說，如果服務(wù)站的基礎(chǔ)設(shè)施配置好了，那么這項技術(shù)倒是一個非常不錯的選擇。密歇根大學(xué)電池實驗室的Greg Less說：“但在那之前，可充電電池，如鋰離子電池才是最佳的選擇?！睂τ谛⌒碗娮釉O(shè)備而言，鋁空氣電池顯然是不可取的，因為這就意味著我們需要經(jīng)常更換電池。

　　關(guān)于鋁空氣電池的研究還在繼續(xù)，有好幾家公司都宣稱自己將在未來幾年內(nèi)推出商業(yè)可用的鋁空氣電池。最近一家名為Fuji Pigment的公司聲稱自己已經(jīng)在鋁空氣電池上取得了突破性的進展。該公司稱找到了使用絕緣材料保護鋁材料的方法，所以可以鋁空氣電池的再充電。

　　即使這一波鋁空氣電池的浪潮最后失敗了，但研究人員也已經(jīng)將鋁看作是未來電池的基本材料之一。現(xiàn)在這是一個十分熱門的領(lǐng)域，就在我寫這篇文章的時候，斯坦福大學(xué)的一個實驗室就宣布成功利用鋁和石墨烯以及一種安全的液體電解質(zhì)開發(fā)出了一種新電池。該研究小組稱這種電池可以在1分鐘內(nèi)完全充好電，并且在被鉆破的情況下還能繼續(xù)保持工作。當(dāng)然，這種電池還有很多工作要做。

　　微型電池

　　傳統(tǒng)電池的另一個問題是它們的尺寸。盡管我們的設(shè)備上的每一個部件都在變小，但是電池卻依然還是那么大。比如說，最新款的蘋果筆記本電腦的厚度基本上都是電池撐起來的，盡管在設(shè)計上采用超高效的分層結(jié)構(gòu)，但電池仍然占據(jù)了大量的空間。

　　這個問題不僅出現(xiàn)在筆記本上面。醫(yī)療植入式設(shè)備也需要能夠植入到人體內(nèi)的小型電池?？臻g應(yīng)用設(shè)備對重量也有嚴格的要求，就是越輕越好。另外隨著可穿戴設(shè)備的帶來，對電池的敏感度也越來越高。

　　越來越多的研究開始集中到所謂的3D微電池上面。那么2D和3D有什么不同呢？你可以將2D看作是一個簡單的平面，上面有兩個電極，中間是電解質(zhì)。他們可以做到非常薄，但是電池的功率也相對更低。

　　相比之下，3D則是在微觀層面上增加電極的層數(shù)來增加電極的表面積。表面積增加后，離子從一個電極移動到另一個電極也更加容易，這就增加了電池的功率密度，提高了電池充放電的速率。

　　科學(xué)家們正在探索如果實現(xiàn)這項技術(shù)的實用化。在2013年，哈佛大學(xué)的一個團隊使用3D打印技術(shù)和鋰原料制造出了精度極高的陰極和陽極。

　　而不久前，一個來自美國伊利諾伊大學(xué)的團隊發(fā)表了一篇論文，其中提到了一種利用全息光刻技術(shù)制造3D電池的方法。在這項技術(shù)中，超精確的光束被用來產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)，即電極。全息光刻出現(xiàn)的時間比3D打印更早，所以更有機會實現(xiàn)這項技術(shù)的大規(guī)模制造。

　　但是，就像是所有的電池技術(shù)一樣，在電池的功率密度和尺寸之間還有權(quán)衡。一項技術(shù)能難同時滿足這兩項要求，但這是研究人員正在努力試圖辦到的事情。如果他們的技術(shù)成功地實現(xiàn)了商業(yè)化，那么必然會產(chǎn)生巨大的影響。

　　伊利諾伊大學(xué)大學(xué)的這個團隊的領(lǐng)導(dǎo)人William King教授告訴我們，目前這項技術(shù)面臨的最大困難是如何實現(xiàn)商業(yè)化?！拔覀冋谂⑦@種電池的能量密度提升三倍以上，我們將使用新的、能量密度更高的材料。”他說，“關(guān)鍵的挑戰(zhàn)還是在規(guī)模化生產(chǎn)上，但我們一直都在努力。”

　　電池的內(nèi)部到底在發(fā)生著什么？

　　為什么我們實驗成功的技術(shù)卻很難實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用呢？很大程度上是因為我們其實并不清楚電池內(nèi)部發(fā)生了什么。聽起來似乎很簡單，但這卻是一個巨大的挑戰(zhàn)，甚至是電池創(chuàng)新的最主要的障礙：我們并不能看到電池中分子層面上發(fā)生的事情。所以很多電池技術(shù)的開發(fā)實現(xiàn)聽起來就像是一場意外。而當(dāng)他們的發(fā)明者試圖使用可控的方法重現(xiàn)相同的效果時，卻遇到了麻煩。

　　為此我們采訪了一位專注于研究電池內(nèi)部現(xiàn)象的科學(xué)家Michael Toney，他現(xiàn)在在SLAC國家加速器實驗室工作，在領(lǐng)導(dǎo)一個團隊試圖揭開電池內(nèi)部工作細節(jié)的秘密，從而開發(fā)出大規(guī)模制造的工藝方法。

　　Toney和他的同事使用光譜成像和納米級的X射線來觀察電池內(nèi)部發(fā)生的一切。Toney說該團隊的終極目標是在原子尺度上觀察充放電過程。但到目前為止，該團隊還只能通過化學(xué)過程觀察結(jié)果。

　　最后Toney說他們可能會開發(fā)一款軟件來幫助人們了解自己的電池到底是如何工作的，而不只是像現(xiàn)在的電量的測試軟件一樣只靠估計。

　　目前正在實驗室中開發(fā)的電池技術(shù)并不只有這么三種，從生物電池到形變電池，實驗室的科學(xué)家們正在嘗試各種各樣的新方法。最后到底哪些技術(shù)能夠獲得成功，現(xiàn)在還沒有人能夠做出確定的預(yù)言。但希望這些技術(shù)能夠盡早實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，助力人類文明達到全新的高度。