未来的电池技术将超越锂电池

宋若函

在技术领域，人们通常都期望能提高性能。在这种增强技术的研发上投入的时间和金钱的多少显然取决于其利害关系。集成电路就是一个很好的例子，隨着时间的推移，集成电路的性能得到了显著的提升，其物理极限已近在眼前，然而电池技术的发展经过了几十年仍然处于初期阶段。这就引出了一个问题，电池技术的发展方向是什么？

可充电电池以前主要应用在消费类电子产品（手机、笔记本电脑）上，但电动自行车市场也发展得十分迅猛。由于每辆电动自行车要使用几十个锂电池单元，因此成为了锂电池应用的重要领域。人们正在针对这些主要的应用领域进行大量研究以提高其性能，并且取得了显著的成效。

然而，未来的主要驱动力是两个更新的应用领域：电动汽车和能源储存。这种观点认为，在不久的将来，电动汽车将成为常态，能源储存将成为一种必要，从而对于大多数家庭来说最终保证电网的稳定和价格的合理。这会产生比原来高出许多个数量级的需求，这说明在电池研发上的巨额投资是合理的，而这一切正在发生。

新的电池技术是如何成功（或失败）的

新技术的研发总是从实验室开始，在那里，一个或大或小的科学家团队致力于改进现有的工艺，或从根本上研究新的方法。改进的一个例子就是可使电池容量和单位输出量（每kg或每Wh）逐渐增长的新型电解质以及锂电池的其他部分。有可靠证据表明，这类研究可以说是成功机会最大的。还应该指出的是，这些提升性能的研究通常是由那些有研发预算的供应商提供资金。这与独立研究人员的情况完全不同，虽然他们可能有着雄心壮志，但是一个结果未知的研发项目想要获得融资要困难很多。

接下来的问题是从实验室开始，通过试运行，一直到大规模生产的转化步骤。许多非常有前景的项目（例如“相同形式要素的双倍容量”等）并没有在给定的预算内将实验结果可靠地转化至试运行阶段，这会有力地阻止风险资本家和其他金融企业的进一步投资。极有可能的是，只有科学家们有了更多的时间和金钱，才能进入下一个阶段。

但即使试运行成功，最重要的一步也尚未到来。特别是大规模生产不仅需要足够稳定和可重复的工艺流程，还往往与可接受的成本有关。这就是许多有潜力成功（在试运行中）的项目失败的原因，因为它们没有足够快地生产出适应市场的产品。

对于财力雄厚的大公司来说，在它们是利益相关者时，技术提升的过程就要容易得多。研发团队可以从内部获得资金，因此时间不是问题。

IBM研究院、梅赛德斯和其他公司

“包括镍、钴等重金属在内的许多电池原材料都对环境和人类构成了巨大的威胁。特别是钴，这种在非洲中部很常见的矿产，因其剥削式的粗放开采过程而受到抨击。”上述文字摘自IBM研究院的博客。

IBM的研究团队使用了3种全新的、不同以往的专利材料，以前从未有记录显示在电池中添加过这些材料，他们发现了一种可用于新型电池的化学反应，这种电池不使用重金属或其他涉及资源环境问题的物质。这种电池材料可以从海水中提取，与目前的原材料开采方式相比，这为资源破坏性较低的技术奠定了基础。

“与这种新电池的成分同样有前景的是它的性能潜力。初期测试证明，它在许多方面的优化性能都超越了锂电池，其成本更低、充电速度更快、功率更强、能量密度更高，拥有强大的能源效率和较低的可燃性。”IBM研究院这样表示。

优于锂电池

IBM研究院的电池实验室发现了这种设计，它使用了一种不含钴和镍的阴极材料，以及一种具有高燃点的安全的液体电解质。这种阴极材料和电解液的独特结合在充电过程中展现出了优于锂金属枝晶的能力，从而降低了可燃性。易燃被广泛认为是使用锂金属作为阳极材料的一个重大缺陷。

这种电池不仅在上述应用中表现出了超越现有锂电池的能力，而且还可以在一系列具体的性能方面进行优化，包括：

1.成本较低。活性阴极材料往往成本较低，因为它们不含钴、镍及其他重金属。这些金属材料通常是资源密集型的，也引起了人们对其可持续性的担忧。

2.充电速度更快。在不考虑一定放电容量的情况下，达到80%的电量（SOC）只需要不到5 min。

3.功率密度高。大于10 000 W/L（超过了锂电池技术所能达到的功率水平之上）。

4.能量密度高。大于800 Wh/L，可与最先进的锂电池媲美。

5.能量效率卓越。大于90%（根据电池放电能量与电池充电能量之比计算的结果）。

6.电解液易燃性低。

7.从实验室到工业。

据IBM称：“为了将新电池从探索性研究的早期阶段推向商业开发阶段，IBM研究院与梅赛德斯-奔驰（Mercedes-Benz）北美研发中心、全球顶尖的电池电解液供应商之一日本中央硝子株式会社（Central Glass）以及电池制造商Sidus合作，一同创造新一代的电池发展生态系统。”

（来源：www.bike-eu.com）