锂电潜力已开发至极限？世界需要一场新电池革命

  8月7日信息，据联线杂志期刊报导，从智能机到笔记本，从纯电动车到电子蒸汽烟，锂离子电池电池正为各式各样的电子设备出示驱动力。可是，伴随着锂的发展潜力被开发设计至完美，科学研究工作人员已经勤奋找寻下一个电池切入点。

  假如你一直在智能机上阅读文章本文，这代表着你正拿着一颗“定时炸弹”。在安全防护屏下，锂（一种十分容易挥发的金属材料，一旦与水触碰便会被引燃）的化学物质已经被溶解，并在强劲的化学变化中再次搭建，这类化学变化为当代全球出示了必不可少的驱动力。

  锂正被运用在手机、平板、笔记本及其智能手环中，而且存有于大家的电子蒸汽烟和纯电动车上。它身轻质墙体软，且归属于动能劳动密集型化学物质，这使它变成携带式电子设备的完美动力之源。可是，伴随着消費技术性越来越愈来愈强劲，锂离子电池电池技术性却自始至终无法紧跟脚步。如今，就在全世界都对锂成瘾之时，专家正竞相再次创造发明为全球出示驱动力的电池。

  极大的发亮显示屏、迅速的响应速度、迅速的数据信息联接及其轻巧的设计方案时尚潮流，这种都代表着很多智能机的用电量没办法适用应用一整天。有时，移动用户乃至要数次电池充电。在应用一年后，许多机器设备的电池续航时间都是大幅度减少，迫不得已被丢入垃圾池。锂的极大优点也是它较大的缺点。它不是平稳的，将会会发生爆炸。锂离子电池笔记本电池的动能与手雷弹相差无异。Ionic Materials创办人兼CEO乔治·齐默尔曼(Mike Zimmerman)说：“袋子里有部智能机如同袋子里带着汽油一样。”

  齐默尔曼在他坐落于英国密苏里州沃本（Woburn）的企业科学研究试验室，亲眼看到了这类点燃实际效果。在一项试验中，一台设备根据电池组驱动器钢钉，电池组快速澎涨，如同微波炉加热里的爆米花玉米一样，随后传出光亮的闪亮。以往50年的电池科学研究自始至终在特性和安全系数中间走钢丝，即不在把锂引向极端化的状况下，尽量多地挤压动能。

  大家如今也在那样做。小编猜想，到2023年，全世界的电池市场容量将做到250亿美金。但顾客觉得，在一项又一项的调研中，电池续航时间是智能机最受关心的作用。伴随着未来十年耗能高些的5G互联网普及化，难题总是越来越严重。而针对这些可以解决困难的人而言，她们可能获得极大的收益。

  Ionic Materials企业仅仅数十家企业中的一员，他们已经开展从源头上再次思索电池难题的诗史比赛。但是，这次比赛被不正确的开始、痛楚的起诉及其不成功的新成立公司所困惑。但在历经十年的迟缓发展趋势以后，期待仍在。世界各国的初创公司、高校和实力雄厚的国家级实验室的专家，已经应用繁杂的专用工具找寻新原材料。她们好像将要大幅度提高智能机电池的比能量和续航时间，并造就更环境保护、更安全性的机器设备，这种机器设备将在几秒内进行电池充电，并充足不断24小时应用。

  电池根据溶解化合物来发电量。自打1799年西班牙科学家亚历山德罗·沃尔塔(Alessandro Volta)创造发明了电池，用于处理有关蜻蛙的争执至今，每片电池都是有同样的核心部件：2个金属电极——带负电荷的阳极和带正电荷的阴极，由被称作电解质溶液的化学物质分隔。当电池联接到电源电路时，阳极中的金属材料分子会产生化学变化。他们丧失一个电子器件，变为带正电的正离子，并根据电解质溶液被吸引住到正级。此外，电子器件（也带负电）则会流入阴极。可是它并沒有根据电解质溶液，只是根据电源电路在电池的外界散播，为它联接的机器设备供电系统。

  阳极上的金属材料分子最后会耗光，这时代表着电池耗光用电量。但在充电电池电池中，能够根据电池充电来大逆转这一全过程，进而驱使正离子和电子器件返回原点，提前准备再度起动循环系统之行。纯金属材料做成的电级没法承担分子持续出入的工作压力而不产生坍缩，因而充电电池电池务必应用组成原材料，使阳极和阴极根据反复的电池充电循环系统维持样子。这类构造可被比成公寓楼工程建筑，在其中有用以反映性原素的“屋子”。充电电池电池的特性在挺大水平上在于你可以以多快的速率在这种屋子里出入，而不容易造成 房屋建筑坍塌。

  一九七七年，年青的英国科学家斯坦·惠廷汉姆(Stan Whittingham)在美国俄亥俄州林登(Linden)的埃克森企业(Exxon)加工厂工作中，他修建了一个阳极，用铝来产生“公寓楼商业街的墙面和木地板”，用锂做为特异性原材料。当他给电池电池充电时，锂离子电池从阴极挪动到阳极，在铝分子中间的间隙中沉定。当充放电时，她们向另一个方位挪动，根据电解质溶液返回阴极一侧的室内空间。

  惠廷汉姆创造发明了全世界第一个充电电池的锂电池，这类钱币尺寸的电池得以为太阳能手表出示驱动力。但当他尝试提升工作电压（使大量正离子出入）或尝试生产制造更大的电池时，他们便会再次点燃。1981年，在剑桥大学工作中的英国科学家罗伯特·古德诺夫(John Goodenough)获得了提升。古德诺夫是一名基督教徒，曾在第二次世界大战中出任美国陆军气象专家，他也是氢氧化物层面的权威专家。他猜疑，与惠廷汉姆应用的铝化学物质对比，毫无疑问有某类化学物质能为锂出示更牢固的囚笼。

  古德诺夫具体指导两位博士研究生科学研究工作人员针对性地在元素表中探求，用不一样的氢氧化物对锂开展核对，看一下在他们奔溃前能从在其中抽出来是多少锂。最后，她们明确了锂和钴的化合物，后面一种是遍及非州中间的灰蓝色金属材料。锂钴金属氧化物能够承担过半数锂被拖出的極限。当它被作为阴极时，这意味着了电池技术性往前迈开了一大步。钴是一种更轻巧、便宜的原材料，既适用中小型机器设备也适用大中型机器设备，并且大大的好于销售市场上的别的原材料。

  现如今，古德诺夫的阴极基本上出現在地球上的全部手机机器设备中，但他并沒有从这当中赚到一分钱。剑桥大学回绝专利申请，他自己也放弃了此项支配权。但它更改了将会产生的事儿。1992年，历经十年的修修补补，sony将古德诺夫的锂钴金属氧化物阴极与碳阳极融合在一起，尝试改进其新式CCD-TR1监控摄像头的电池续航时间。它是第一款用以消費商品的充电电池锂离子电池电池，它更改了整个世界。

图：我国浙江金华市坎迪加工厂的生产流水线，能够俯瞰成千上万纯电动车

  吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉汽车的第七名职工。当这个纯电动车企业于2004年创立时，电池比能量平稳提升早已不断了十年，每一年的提升力度约为7%。但来到2006年前后左右，伯迪切夫斯基发觉锂离子电池电池的特性刚开始趋于平稳。过去的七八年里，专家迫不得已竭尽所能去争得就算是0.5%的电池特性提升。

  那时候的发展关键来源于工程项目和加工制造业的改善。伯迪切夫斯基说:“在当代化学变化被应用27年之后，他们持续接纳提炼出。”原材料更为纯粹，电池生产商早已可以根据使各层都越来越更薄的方法将更活跃性的原材料装进同样的室内空间中。伯迪切夫斯基称作“从陶罐里吸出来气体”。但这也是有其本身风险性。当代电池由特薄的阴极、电解质溶液和阳极原材料的更替层构成，与铜和铝正电荷采集器密不可分地融合起來，将电子器件带出电池，送至必须的地区。

  在很多高档电池中，塑胶膈膜坐落于阴极和阳极中间，用于避免他们触碰和短路故障，其薄厚仅为6μm（约为人们秀发薄厚的1/10），这使他们非常容易遭受挤压成型损害。这就是国际航空公司的安全视频如今为什么警示称，假如你的手机掉进了机械设备设备里，不必尝试调节坐位。

  对锂离子电池电池的每一次改善，都必须衡量选择。提升比能量会减少安全系数，导入快充将会减少电池的循环系统使用寿命，这代表着电池的特性降低得迅速。锂离子电池的发展潜力已经贴近其基础理论極限。自打古德诺夫的提升至今，科学研究工作人员一直在尝试找寻下一个飞越，包含根据针对性地思考电池的四个关键构成部分——阴极、阳极、电解质溶液和分离设备，并应用愈来愈繁杂的专用工具。

  克莱尔·卡兰(Clare Grey)是古德诺夫在剑桥大学的学员，他自始至终在科学研究锂-气体电池，即用空气中的co2当做另一个电级。从理论上讲，这种电池出示了极大的比能量，但是让他们靠谱地电池充电，而且延迟时间超出几十个周期时间，在试验室里早已够艰难的了，更别说在现实世界污浊而不能预料的空气中了。

  虽然卡兰宣称近期获得了提升，但因为所述难题，科学研究团队的专注力关键转为了锂-硫电池。它为锂离子电池出示了更划算、更强劲的代替品，但专家自始至终在勤奋阻拦其在阴极上产生的树突（cathode），及其在阳极上的硫磺粉因反复电池充电而融解。sony宣称早已解决了这一难题，并期待到今年 将带有锂-硫电池的消费性电子设备走向市场。

  在曼彻斯特学校，原材料学者刘艳清(Xuqing Liu)是这些尝试从碳阳极中挤压大量动能的人之一，他将类似石墨烯材料的二维材料融合起來，便于扩张面积，进而提升锂分子的总数。刘艳清把它比成提升一本书的页码。这所高校还项目投资修建干躁的试验室，这将使其科学研究工作人员可以安全性、轻轻松松地互换不一样的元器件，以检测不一样的电级和电解质溶液的组成。

  让人难以想象的是，即便古德诺夫自己也在科学研究这个问题。上年，94岁的他发布了一篇毕业论文，叙述了一种容积是目前锂离子电池电池三倍的电池。这遭受普遍提出质疑。一位科学研究工作人员说:“如果是古德诺夫以外的别人发布了本文，我或许就需要打爹。”

  可是，虽然有不计其数的发表论文，数十亿美元的资金分配，数十家初创公司创立并出示资产适用，自1992年至今，大家绝大多数消費电子设备的基础有机化学作用基本上沒有更改。在成本费、特性和消费性电子设备的便携式层面，还没什么可以替代锂钴金属氧化物和碳的组成。iPhone X的电池的基本原理基本上和sony的第一台携带式监控摄像头一样。

  因而，2008年，伯迪切夫斯基从特斯拉汽车离去，刚开始致力于科学研究新的电池化学变化。他对找寻高纯石墨阳极的代替品特别是在很感兴趣，他觉得它是生产制造更强电池的较大阻碍。伯迪切夫斯基说:“高纯石墨的应用早已有六七年了，它如今大部分是用在电池的热学容积上。”2013年，他与特斯拉汽车的前朋友亚历克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亚理工学校材料学专家教授格莱布·尤辛（Gleb Yushin）相互开创了Sila Nanotechnologies。她们在阿拉米达的粤港澳公司办公室有敞开式合理布局，以雅达利手机游戏取名的会议厅，也有填满溶炉和天燃气管道的工业生产试验室。

  在调研了全部将会的解决方法以后，三人从理论上明确硅是最有发展前途的原材料。她们只必须让技术性充分发挥。很多人到她们以前试着过，但都以不成功结束。但是，伯迪切夫斯基和他的朋友们对她们的取得成功表明开朗。一个硅原子能够粘附4个锂离子电池，这代表着与净重相仿的高纯石墨阳极对比，一个硅阳极能够存储10倍的锂。这一发展潜力代表着，英国國家研究所对硅阳极原材料充满了兴趣爱好，Amprius、Enovix和Envia等风险投资组织 适用的初创公司也是这般。

  当锂离子电池在电池电池充电时粘附在阳极处时，它会轻度澎涨，随后在应用时再度收拢。在反复的电池充电循环系统中，这类澎涨和收拢毁坏了固态电解质页面层，后面一种是一种维护化学物质，在阳极表层产生软斑。这类危害会造成不良反应，耗费电池中的一部分锂。伯迪切夫斯基说：“它受困在没用的废弃物里。”

  伴随着時间的变化，它是智能机刚开始迅速损害储能技术的关键缘故。高纯石墨阳极澎涨和收拢约7%，因而在特性刚开始大幅度下降以前，它能够进行大概1000个充放周期时间。这等于一部智能机不断2年、每日电池充电。但因为硅颗粒物能吸咐这般多的锂，他们在电池充电时澎涨的力度要大很多（达到400%）。大部分硅阳极历经几回电池充电循环系统后会产生破裂。在试验室的五年多時间里，Sila Nanotechnologies造就了一种纳米技术高分子材料来处理澎涨难题。

  伯迪切夫斯基解释说，如果石墨阳极是个“公寓区”，那么所有的“房间”都是一样大小，而且都紧紧地挤在一起。经过3万次迭代（不同的柱子和房间组合），他们形成了阳极，那里每层都有足够的空间让硅原子在获取锂时膨胀。他说：“我们把多余的空间困在建筑内部。”这就解决了膨胀问题，同时保持阳极的外部尺寸和形状稳定。

  伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies将向制造商提供的第一代材料，将使能源密度提高20%，并最终提高40%，同时也能提高安全性。他说：“硅能让你远离边缘，你可以空出1%或2%的空间，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接转换成现有的设计。随着亚洲的电池生产商争相增加工厂产能，为电动汽车时代到来做准备，伯迪切夫斯基认为，任何与当前生产工艺不兼容的产品都可能被排除在外。他说：“如果现在还不存在可以替代锂离子的技术，到上市的时候，它将迎来无数的用户群。”

图：这名男人在玻利维亚乌尤尼的盐滩工作，这个面积4000平方英里的偏远地区拥有世界上最大的锂储量

  当电池充满电并放电时，锂离子在两个电极之间舞动，有时它们很难返回。相反，尤其是当电池充电太快时，它们会在电极的外面聚集，逐渐形成树枝状的分支，就像洞穴顶部的钟乳石。最终，这些看起来像窗玻璃上结了霜的树突，可以通过电解质一路延伸，穿透隔膜，并通过触碰对面的电极产生短路。

  随着各层之间的距离越来越近，这种风险就会增加，出错的可能性也会随之增加。正如三星去年发现的那样，出错可能会造成损害，代价相当高昂。微小的制造缺陷曾导致Galaxy Note 7手机电池内部短路。在某些设备上，阳极和阴极最终彼此接触，这起灾难性的召回事件估计导致三星损失了34亿欧元。Ionic Materials公司的齐默尔曼解释道：“当这种情况发生时，电池会变得非常热，液体电解质会发生热逃逸，最终引发火灾和爆炸。”

  因为这种情况非常危险，实际上锂离子电池中没有那么多锂，仅为百分之二左右。但如果有一种方法可以安全地把纯金属锂从金属钴氧化物笼子里释放出来，就像惠廷汉姆在20世纪70年代尝试的那样，可能会带来增加十倍的能量密度。这被称为电池研究的“圣杯”，齐默尔曼可能发现了它。

  他认为电解质实际上是增加电池能量密度的最大障碍。人们已经逐渐不再使用浸在液体电解质中的物质，而是使用凝胶和聚合物，但它们通常仍然是易燃的，而且对阻止快速的热逃逸过程毫无帮助。齐默尔曼自己承认，他不是一个“电池控”。他主修的专业是材料科学，尤其是聚合物，他在贝尔实验室和塔夫茨大学任教了14年，之后才开始创业。

  21世纪初，齐默尔曼开始对可充电电池产生兴趣。当时，有些人在努力从液态电解质转向固态电解质。资深储能科学家唐纳德·海格特（Donald Highgate）解释说：“原则上，因为固态电解质电池更安全，你可以让它更努力工作。同样的应用程序，你可以使用更小的电池。”但它们大多是陶瓷或玻璃制品，因此很脆，很难大规模生产。”

  塑料已经在电池中被用于隔离器，即位于电解质中间以阻止电极接触的部分。齐默尔曼认为，如果他能找到合适的材料，他就可以抛弃液体电解质和分离器，取而代之的是一层固体塑料，这层塑料是可以防火的，而且还可以防止在两层之间生长树突。通过Ionic Materials，齐默尔曼用一种全新的传导机制创造了一种聚合物，它模仿了电子穿过金属的方式。这是第一个能在室温下导电锂离子的固态聚合物。材料是灵活的，低成本的，经得起各种各样的考验。

  在一次实验中，他们把原材料送到了弹道学实验室，那里通常被用来测试防弹背心，并用9mm的子弹来射击它。两根电线将电池（扁平的银袋子）连接到三星平板电脑上，后者的电源被小心移除。子弹击中后，电池就像火山一样炸开了。在慢镜头里，可以看到塑料和金属从火山口喷出，就像熔岩。但电池内部没有爆发，没有爆炸或起火。每次碰撞，设备都保持开启状态。齐默尔曼说:“我们一直认为聚合物会使它更安全，我们从来没有指望电池还能继续工作。”

  据齐默尔曼说，这种聚合物将推动锂金属的发展，并加速采用新的电池化学物质，如锂-硫或锂-空气。但长远的未来可能不只是锂。曼彻斯特大学的研究员刘旭清表示:“这种改进不能与设备性能的改进速度相匹配，我们需要一场革命。”

  在牛津郡庞大的哈韦尔科学与创新园区，也就是约翰·古德诺夫(John Goodenough)签署协议宣布放弃他在锂离子领域取得重大突破专利的地方，史蒂芬·沃勒（Stephen Voller）举着一块与饮料杯大小和形状相似的碳纤维。沃勒是一位和蔼可亲的曼城球迷，年近50岁。在加盟首个浏览器品牌网景（Netscape）公司之前，他曾在IBM担任软件工程师。在公司被AOL收购后，沃勒对笔记本电脑电池续航时间的限制越来越感到失望，于是决定采取些措施。

  沃勒的第一个想法是使用氢燃料电池来延长电池巡航时间，但它的波动性证明是便携式电子产品无法克服的挑战。他说:“让氢气通过机场安检是相当困难的。”然后，通过牛津大学的熟人，沃勒听说了一些令人兴奋的研究，包括性能更像超级电容器的极快充电材料。当电池以化学方式储存能量时，超级电容器却可将其置于电场中，就像气球上的静电收集一样。

  超级电容器的问题在于，它们不能像电池一样储存那么多的能量，而且电量会很快泄露出去。如果你不经常使用，锂离子电池的放电可持续2周，而超级电容器只能保持数小时。许多业内人士认为，将超级电容器与电池结合起来，可能对智能手机和其他耗电的消费科技产品有利。海格特表示，超级电容器可以被用来制造一、两分钟内就能充满电的混合手机，而且还可以作为备用的锂离子电池。他说:“如果你可以非常快速的充电，你可以把它放在感应圈上，在你搅拌咖啡的时候充电。”

  沃勒认为，他可以做得更好。2013年，他创立了ZapGo，该公司正在开发碳基电池，其充电速度与超级电容器一样快，但充电时间与锂离子电池差不多。到2017年11月，该公司的员工已增至22人，分别在哈韦尔的卢瑟福德阿普尔顿实验室和北卡罗来纳州夏洛特的办公室工作。它的第一个消费电池将被用在今年年底推出的第三方产品上，包括用于汽车的助推起动装置，以及充电时间从8小时缩短至5分钟的电动滑板车。

  沃勒手里拿着的那块碳纤维是一块电池，使用了固态电解质，不会着火。两个电极是由薄层铝制成的，上面覆盖着纳米结构的碳，用来增加表面积。沃勒说：“你希望它看起来像喜马拉雅山。”尽管在显微镜下，它更像是城市天际线的轮廓。ZapGo技术的关键在于提高效率和减少漏电量，主要是通过确保电解液无缝地与上面的碳天际线相吻合，就像尼龙搭扣一样。

  碳基电池的最大优势是长寿。因为ZapGo的电池存储更像气球，而不是传统的电池。正如沃勒所说“没有化学反应”，他声称新电池可以持续10万个放电周期，这是锂离子电池的100倍。即使每天给手机充电，也可以使用30年。目前的第三代ZapGo电池还没有强大到可以运行智能手机的地步，但由于使用的材料没有提供增加电压的障碍，沃勒预计这种电池将在2022年，也就是“iPhone 15前后”投入应用。

  这需要改变充电基础设施。许多爆炸事件被归咎于廉价的第三方充电器，而这些充电器没有阻止爆炸所需的电子设备。对于ZapGo的电池，或者任何基于超级电容的系统，你需要一个充电器来做相反的事情——从电网中吸取和储存能量，然后在短时间内把它送到你的手机上。在实验室里，沃勒的团队已经制造出了笔记本电脑大小的电源，但他们正在努力使它变得更小、更高效。

  包括戴森设计工程学院的萨姆·库珀(Sam Cooper)在内的许多人质疑，这些公司是否真的希望在产品中植入能持续使用如此之久的附件。库珀说：“手机公司有个明确的利润激励，就是要在下次发布时让老款设备及时停产。为此，研发更好电池的竞赛可能根本不存在。”沃勒承认，ZapGo持有的大约30项专利中，有一种方法可人为地降低电池的使用寿命，阻止它们持续使用30年。他说：“我们不会这么做，但如果客户愿意，我们有能力提供给他们。”

  与现有技术相比，碳基储能技术还有另一个主要优势。它实际上可以作为手机外部结构使用。沃勒并没有设计出适合当前手机设计的电池，而是在为柔性屏幕和可折叠设备的未来做准备。在5G网络下，我们所有的数据都来自云端，电池续航时间变得更加重要。

  沃勒沿着他办公室狭窄的走廊走着，走到午后的阳光下，穿过Diamond Light Source的阴影，这是个巨大的环形建筑，看起来像是外星飞船降落在牛津郡的乡村。在内部，研究人员正在利用加速光束在微观尺度上对潜在的电池材料进行研究，探究为何锂-硫电池会失败，以及寻找替代材料以获得阳极和阴极，这些问题已经困扰了这个领域近30年。

  沃勒在空中挥舞着他的智能手机，哀叹着锂离子电池的缺陷，正是这些缺陷促使他和其他数百人加入了这场高风险的竞赛，以期重新发明这些绝好却又存在缺陷的电池。他说:“我们都必须制定策略来应对这种情况，不管是背夹式电池，还是带着两部手机，这都太疯狂了，事情不应该是那样的。”