我們總是會很頻繁的在媒體上看到電池技術(shù)領(lǐng)域里的最新研究成果。雖然這些新技術(shù)可能暫時還無法實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，但在研究人員的不懈努力之下，技術(shù)突破和商業(yè)應(yīng)用之間的距離正在逐漸縮小。本文將要介紹的就是三種極具發(fā)展前景的電池技術(shù)，它們不僅很快會出現(xiàn)在我們的生活當中，并有可能真正改變這個世界。

固態(tài)電池

目前被大規(guī)模應(yīng)用鋰離子電池存在一個很大的缺點，那就是可能會毫無征兆地自燃。為了解決這個問題，研究者開發(fā)出了一種新型的固態(tài)電池。

固態(tài)電池擁有多種類型，但它們的共同之處是放棄了鋰離子電池當中可燃性很高的液態(tài)電解質(zhì)，轉(zhuǎn)而使用了其他材料——通常是金屬混合物——來在電極之間傳導(dǎo)電子和產(chǎn)生電能。

由于內(nèi)部不含液體，固態(tài)電池也就沒有必要被加入絕緣層和其他安全措施，因此這種電池的體積和重量相比鋰電池有所降低，同時適應(yīng)能力更強。對于電動汽車廠商來說，這些都是頗具吸引力的優(yōu)勢。目前，美國能源部能源高級研究計劃局(ARPA-E)就正在測試兩個不同的固態(tài)電池項目，其一是鋰離子固態(tài)電池，另一個則完全不使用鋰。

Sakti3是固態(tài)電池領(lǐng)域里的領(lǐng)軍者，這家公司的技術(shù)已經(jīng)十分接近量產(chǎn)的程度。雖然這聽上去令人期待，但由于保密工作十分到位，我們對于Sakti3的固態(tài)電池技術(shù)還知之甚少，但它們已經(jīng)吸引到了來自知名企業(yè)的投資，比如通用汽車。QuantumScape也是一家固態(tài)電池技術(shù)公司，這家企業(yè)雖然更加默默無聞，但他們的技術(shù)據(jù)傳和Sakti3較為類似。

不過對于固態(tài)電池來說，距離大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時日。這種電池技術(shù)所面臨的最大挑戰(zhàn)之一并不是化學(xué)材料本身，而是在工廠當中以相比傳統(tǒng)電池更低廉的價格實現(xiàn)量產(chǎn)。

鋁空氣電池

除了易燃之外，鋰這種最常見的電池材料還有其他弊端，比如開采成本昂貴，釋放電子的效率低——這也是鋰電池充放電速度較慢的原因。

那么有沒有一種電池完全不含鋰，還能在幾秒之內(nèi)完成對手機的充電呢？以色列公司Phinergy就有一種解決方案：鋁空氣電池。這種電池兩個電極的材料分別是鋁板和氧氣——具體來講，是氧氣和水電解質(zhì)。當氧氣和鋁板發(fā)生反應(yīng)，電能便會產(chǎn)生。

鋁空氣電池已經(jīng)存在了很長一段時間，但外界對它的興趣在最近幾年才開始增加。從理論上講，這種電池的容量可達到鋰電池的40倍，而Phinergy更是聲稱它可將電動汽車的續(xù)航里程延長至1000英里。

但是，鋁空氣電池內(nèi)部產(chǎn)生電能的化學(xué)反應(yīng)也存在一個很大的弊端。在和氧氣發(fā)生反應(yīng)的過程當中，鋁板會持續(xù)被分解，并最終會無法再充入電源，只能進行替換。在大規(guī)模應(yīng)用上面，這會是個很大的問題。

對于鋁空氣電池的研究目前并未停止，有幾家公司聲稱他們將會在未來幾年里將其帶入市場，其中就包括Phinergy。與此同時，日本的冨士色素公司最近聲稱他們在該技術(shù)的研究上已經(jīng)取得了重大突破。這家公司表示，他們發(fā)現(xiàn)了一種使用絕緣材料保護鋁板的方式，使其可以持續(xù)被充電。

即便鋁空氣電池最終失敗，許多研究者都認為鋁會成為未來的電池材料。最近，斯坦福的一支研究團隊就對外介紹了一種將鋁和石墨烯作為電極材料的電池。這種電池（用在智能手機當中）不僅可在1分鐘的時間內(nèi)完成充電，且由于使用了一種安全系數(shù)很高的液態(tài)電解質(zhì)，它即便被鉆出一個洞也不會爆炸，并可繼續(xù)工作。

微電池

體積是傳統(tǒng)電池的另一個大問題。雖然電子設(shè)備的其他零部件都正在越變越小，但電池依然還十分笨重。除了手機和筆記本這種設(shè)備之外，體積問題同樣困擾著醫(yī)療植入物，因為在需要電源供應(yīng)的同時，它們的體積必須足夠小，才能被植入人體。

目前，3D微電池是一個非常熱門的研究方向。這種所謂的3D和2D有什么區(qū)別呢？你可以把2D電池看作是一塊蛋糕：它們有兩個電極，中間由電解質(zhì)分隔。這種電池可以做到超級纖薄，但電源輸出也會因此變得非常低。

對比之下，3D電池更像是蛋糕卷。想要增加電極的表面區(qū)域，你可以在微觀層將它們環(huán)環(huán)相扣。增大了表面積之后，電子也就可以更加輕松地從一個電極移動至另一個——這樣做可以增加電池的功率密度，或是提高充放電的速率。

科學(xué)家們目前正在探索生產(chǎn)這種微型電池的不同方式。在2013年，哈佛大學(xué)的一支研究團隊就使用3D打印機和鋰“墨水”達到了將納米大小陰極和陽極環(huán)環(huán)相扣所需的超高精度。

而在最近，伊利諾伊大學(xué)的研究團隊又展示了他們是如何使用一種名為全息光刻的技術(shù)來制作3D電池的。這種技術(shù)會利用超高精度的光束從光刻膠當中制作出電極的3D結(jié)構(gòu)。相比3D打印，全息光刻技術(shù)的成熟度更高，因此可能更加適合量產(chǎn)。

但和所有電池一樣，3D電池技術(shù)在功率密度、產(chǎn)生電能的速率、電能密度和總體容量之間會產(chǎn)生權(quán)衡。想要在這些方面都達到很高的水平并不是件易事，而這正是伊利諾伊大學(xué)的研發(fā)團隊所要做的。如果成功實現(xiàn)商業(yè)化，那這種電池技術(shù)將會產(chǎn)生巨大的影響力。

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