“锂电潜力已开发至极限？世界需要一场新电池革命”

本篇文章7824字，读完约20分钟

8月7日，据连接杂志报道，从高端智能手机到笔记本电脑，从电动汽车到电子烟，锂离子电池为各种电子产品提供了动力。 但是，随着锂潜力得到最大限度的开发，研究者正在探索下一个电池的突破点。

如果你用高端智能手机浏览这个副本，你就会拥有炸弹。 在防护屏幕下，锂(一种非常易挥发的金属，与水接触后会着火)的化合物被分解，在强大的化学反应中重构，这种化学反应为现代世界提供了不可缺少的动力。

锂元素被用于手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表，也存在于我们的电子烟和电动汽车中。 是一种轻巧、能量密集型的物质，是便携式电子产品的完美动力源。 但是，随着成本技术变得更加强大，锂离子电池技术变得难以始终跟上步伐。 现在，在全世界都依赖锂的时候，科学家们正在争夺重新发明为世界提供动力的电池。

巨大的发光屏幕、快速的解决速度、高速的数据连接和轻巧的设计时尚意味着多台高端智能手机全天难以支持电量。 有时手机顾客会多次充电。 两年后，许多设备的电池续航时间急剧缩短，不得不扔到垃圾堆里。 锂的一大特点也是它最大的弱点。 不稳定，有爆炸的可能性。 笔记本电池的能量可与手榴弹媲美。 ionic materials创始人兼首席执行官迈克·齐默尔曼( mike zimmerman )说:“口袋里有一部像装煤油一样高端的智能手机。”

在位于美国马萨诸塞州沃本( woburn )的企业研究室，齐默曼目睹了这种燃烧效果。 在一个实验中，一台机器用电池组驱动钉子时，电池组迅速膨胀，像微波炉里的爆米花一样明亮地发光。 在过去50年的电池研究中，始终走在性能和安全性之间。 也就是说，不极端地挤压锂，尽可能地挤压出更多的能量。

我们现在也在这样做。 预计到2022年，全球电池市场规模将达到250亿美元。 但是，客户在另一项调查中认为，电池续航时间是高端智能手机最关注的功能。 随着未来十年能源消耗更高的4g通信网络的普及，问题只会越来越严重。 对能解决问题的人来说，他们会获得很大的利益。

ionic materials企业是数十家企业之一，进行着从根本上重新审视电池问题的史诗大赛。 但是，这场比赛却被错误的开始、痛苦的诉讼、失败的初创企业所困扰。 但是，经过十年的缓慢快速发展，希望还在。 世界各地初创公司、大学和有资金的国家实验室的科学家们使用许多复杂的工具寻找新材料。 他们似乎在大幅提高高端智能手机电池的能量密度和续航时间，创造更加环保安全的设备。 这些设备在几秒钟内充电完毕，可以全天使用。

电池通过分解化学物质发电。 自从1799年意大利物理学家亚历山大·沃尔特( alessandro volta )发明电池来处理关于青蛙的争论以来，每个电池都有同样重要的部件。 两个金属电极——带负电的阳极和带正电的阴极被电解质物质隔离。 电池与电路连接后，阳极中的金属原子发生化学反应。 它们失去电子，变成带正电荷的离子，通过电解质被吸引到正极。 然后，电子(也带有负电荷)流向阴极。 但是，不是通过电解质，而是通过电路传到电池外部，给所连接的设备供电。

阳极上的金属原子最终枯竭，这意味着电池正在消耗。 但是，在二次电池中，充电可以逆转这个过程，使离子和电子回到原来的位置，准备再次开始循环的旅行。 纯金属制的电极无法承受原子出入的压力，不会崩溃。 这是因为该二次电池为了通过反复的充电循环使阳极和阴极保持形状，需要采用组合材料。 这样的构造可以比喻为具有反应性要素的“房间”的公寓建筑。 充电电池的性能在很大程度上取决于建筑物能以多快的速度进出这些房间，而不会倒塌。

1977年，年轻的英国科学家斯坦·海廷汉姆( stan whittingham )在新泽西州林登( linden )的埃克森企业( exxon )工厂工作，建造阳极，用铝“公寓街区的墙壁和地板” 他给电池充电时，锂离子从阴极移动到阳极，以铝原子之间的空间隙沉淀。 放电时，他们向另一个方向移动，通过电解质返回阴极侧空之间。

霍廷汉发明了世界上第一个可充电锂电池。 这个硬币大小的电池足以为太阳能手表提供动力。 但是，如果他试图增加电压(让越来越多的离子进出)，或者制造更大的电池，他就会继续燃烧。 1980年，在牛津大学工作的美国物理学家约翰·古德诺夫( john goodenough )取得了突破。 古德诺夫是基督徒，二战期间担任美国陆军气象学家，也是金属氧化物专家。 他怀疑，与惠钦汉姆采用的铝化合物相比，肯定有能够为锂提供更坚固笼子的物质。

古德诺夫指导了两位博士后研究人员，用周期表系统地摸索，用不同的金属氧化物比对锂，在衰变前能抽出多少锂。 最终，他们弄清了锂和钴的混合物。 后者是遍布非洲中部的蓝灰色金属。 钴氧化物可以承受半数锂被脱出的极限。 作为阴极使用时，这代表着电池技术迈出了一大步。 钴是一种更轻、更便宜的材料，既适用于小型设备，也适用于大型设备，大大优于市场上的其他材料。

现在，古德诺夫的阴极出现在地球上所有的掌上电脑上，但他没有从那里赚钱。 牛津大学拒绝了专利申请，他自己也放弃了这个权利。 但它改变了可能发生的事件。 1991年，经过10年的修补，索尼将古德诺夫的锂钴氧化物阴极和碳阳极结合，试图改善新型ccd-tr1相机的电池续航时间。 这是第一个使用产品的可充电锂离子电池，改变了世界。

在中国浙江省金华市坎迪工厂的生产线上，可以俯瞰无数辆电动汽车

吉恩·伯迪切夫斯基( gene berdichevsky )是特斯拉的第七名员工。 该电动汽车企业于2003年成立时，电池能量密度的稳步提高已经持续了十年，每年的提高幅度约为7%。 但是到了2005年左右，伯迪切夫斯基发现锂离子电池的性能开始稳定。 在过去的7、8年中，科学家们必须全力以赴，以提高0.5%的电池性能。

当时的进步主要来自工程和制造业的改善。 伯迪切夫斯基说:“现代化学反应采用27年后，他们不断凝固。” 材料更纯净，电池制造商通过使各层更薄，可以将更活跃的材料放入同一个空之间。 据说伯克霍夫斯基“从罐子里吸取空气体”。 但这也有自身的风险。 现代电池由极薄的阴极、电解质和阳极材料的交替层构成，与铜和铝的电荷收集器紧密结合，从电池中取出电子，输送到需要的地方。

在多个高端电池中，塑料隔板位于阴极和阳极之间，用于防止接触和短路，其厚度仅为6微米(约为人类头发厚度的1/10 )，容易受到压迫损伤。 这就是航空空企业的安全录像，警告如果手机掉在机械装置上，不要尝试调整座位的理由。

每次锂离子电池的改良，都需要研究取舍。 这意味着增加能量密度会降低安全性，而引入快速充电可能会降低电池的循环寿命，从而导致电池性能更快下降。 锂离子的潜力正在接近其理论极限。 自从古德诺夫取得突破以来，研究人员通过系统地审视电池的四个主要组成部分——阴极、阳极、电解质和隔膜，探索了下一个飞跃，包括采用越来越多的复杂工具等。

克莱尔·格雷( clare grey )是牛津大学古德诺夫的学生，经常研究锂-空气体电池，即空气体中的氧作为另一电极。 理论上，这些电池提供了巨大的能量密度，但要使它们可靠地充电，如果持续时间超过几十个循环，实验室就已经十分困难，在现实世界中是脏的空气体中是不可预测的

格雷声称最近有所突破，但由于上述问题，研究团体的观察力首要转向了锂硫电池。 虽然为锂离子提供了更便宜、更强大的替代品，但科学家们正在努力阻止阴极上形成的树突( cathode )和阳极的硫反复充电溶解。 索尼声称处理了这个问题，希望明年将包括锂-硫电池在内的廉价电子产品推向市场。

在曼彻斯特大学，材料学家刘旭清( xuqing liu )是越来越多想从碳阳极中挤出能量的人之一，通过组合与石墨烯相似的二维材料来扩大表面积，增加锂原子的数量。 刘旭清把它比作增加书的页数。 该大学还投资建设干燥的实验室，使研究人员能够安全、方便地更换不同的部件，测试不同的电极和电解质组合。

难以置信的是，古德诺夫本人也在研究这个问题。 去年，94岁的他发表了一篇论文，说明电池容量是现有锂离子电池的3倍。 这受到广泛质疑。 一位研究者说:“如果除了古德诺夫以外的人发表了这个副本，我可能会骂妈妈。”

但是，尽管发表了千万篇论文，但投入了数十亿美元的资金，成立了数十家创业企业，提供了资金支持，自1991年以来，我们大部分使用电子产品的基本化学功能几乎没有变化。 在价格、性能、费用性电子产品的便携性方面，没有什么能代替锂钴氧化物和碳的组合。 iphone x的电池原理和索尼的第一台摄像机差不多。

因此，2008年，贝尔迪切夫斯基离开特斯拉，开始专心研究新的电池化学反应。 他对寻找石墨阳极的替代品特别感兴趣，认为这是制造更好电池的最大障碍。 “石墨的采用已经有6、7年了，但是现在基本上被用于电池的热力学容量。 ”。 年，与特斯拉的前同事亚历克斯·雅各布斯( alex jacobs )、乔治亚理工大学材料学教授格雷夫·尤辛( gleb yushin )共同创立了sila nanotechnologies。 他们在阿拉米达湾区的办公室拥有开放的布局，拥有以雅达利游戏命名的会议室，以及充满熔炉和煤气管道的工业实验室。

调查了所有可能的处理方案后，三人从理论上明确了硅是最有前途的材料。 他们只是让技术发挥作用。 很多人在他们面前尝试了，但都以失败告终。 但是，伯迪切夫斯基和同事们对他们的成功很乐观。 一个硅原子可以附着四个锂离子，意味着与重量相近的石墨阳极相比，一个硅阳极可以储存十倍的锂。 这种潜力意味着美国国家研究院对硅阳极材料感兴趣，amprius、enovix、envia等风投机机构支持的初创公司也是如此。

锂离子在电池充电时附着在阳极上会稍微膨胀，然后在采用时再次收缩。 在重复的充电循环中，这种膨胀和收缩会破坏固体电解质界面层，后者是保护物质，在阳极表面形成斑块。 这种损害会产生副作用，消耗电池中的一部分锂。 “被困在无用的垃圾里，”伯迪切夫斯基说。

随着时间的推移，这是高端智能手机开始迅速失去储存的主要原因。 石墨阳极膨胀和收缩约为7%，因为在性能开始急剧下降之前可以完成约1000个循环的充放电。 这相当于高端智能手机连续两年每天充电。 但是，由于硅粒子可以吸附这么多锂，充电时膨胀的幅度非常大(高达400% )。 。 大多数硅阳极在经过几次充电循环后都会断裂。 在实验室的五年多时间里，sila nanotechnologies创造了处理膨胀问题的纳米复合材料。

博迪切夫斯基解释说，如果石墨阳极是“公寓”，那么所有的“房间”都是一样大，而且都挤得很牢。 经过3万次反复(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之间，硅原子在提取锂时会膨胀。 他说:“我们把多余的空间关在建筑物内部。” 它解决了膨胀的问题，稳定了阳极的外形尺寸和形状。

伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nano科技公司向制造商提供的第一代材料，将使能源密度提高20%，最终提高40%，安全性也将得到提高。 “硅可以让你远离边缘。 空可以在1%或2%的空之间出来。 真的可以提高你的安全。 ”。 最重要的是，也可以直接转换为现有的设计。 亚洲电池制造商增强工厂的生产能力，为电动汽车时代的到来做准备，贝尔迪切夫斯基认为与目前的生产技术不兼容的产品有可能被排除在外。 如果现在不存在替代锂离子的技术的话，上市的时候会迎来无数的顾客基础。”

:在玻利维亚乌尤尼的盐滩工作。 这个面积4000平方公里的偏远地区拥有世界上最大的锂储量。

电池充满电放电后，锂离子可能会在两个电极之间振荡，难以返回。 相反，特别是电池充电过快时，会在电极外凝聚，像洞穴顶部的钟乳石一样逐渐形成树枝状的分支。 最终，这些是看起来窗玻璃结了霜的树突，通过电解质延伸，贯通隔膜，接触相对的电极，就可以发生短路。

随着各层间距离的接近，这种风险会增加，错误的可能性也会增加。 正如三星去年发现的那样，失误有可能造成损害，而且代价高昂。 小小的制造缺陷使galaxy note 7手机的电池内部短路。 在一些设备中，阳极和阴极最终接触，这场毁灭性的召回估计导致三星损失34亿欧元。 ionic materials企业的双梅尔曼解释说:“一旦发生这种情况，电池会变得非常热，液体电解质会热量释放，最终引起火灾和爆炸。”

因为这种情况非常危险，所以实际上锂离子电池没有那么多锂，只有2%左右。 但是，如霍廷厄姆在20世纪70年代所尝试的那样，如果有能够从金属钴氧化物笼安全释放纯金属锂的方法，则有可能带来10倍的能量密度。 这被称为电池研究的“圣杯”，可能是双梅尔曼发现的。

他认为电解质实际上是增加电池能量密度的最大障碍。 虽然不再采用浸渍在液体电解质中的物质，而是采用凝胶和聚合物，但一般情况下容易燃烧，对阻止热量迅速散失没有帮助。 双梅尔曼自己承认他不是“电池控制”。 他的专业是材料科学，特别是聚合物，在贝尔实验室和塔夫茨大学任教14年后开始创业。

21世纪初，双梅尔曼开始对二次电池做有趣的事。 当时，也有人努力从液态电解质转移到固体电解质。 资深储能科学家唐纳德·海格特( donald highgate )表示:“基本上，固体电解质电池更安全，因此可以更努力地工作。 在同一个应用程序中，可以使用更小的电池。 ”。 但是，其中很多是陶瓷和玻璃制品。 因为这个很脆，所以不太容易大量生产。 ”

塑料被用于位于电解质中间的隔板，即部分电池，以阻止电极的接触。 双梅尔曼认为，如果能找到合适的材料，就可以扔掉液体电解质和隔膜，代之以固体塑料。 这种塑料具有防火性，还可以防止树突在两层之间生长。 通过ionic materials，双梅尔曼利用新的传导机制，创造了模仿电子通过金属的方法的聚合物。 它是第一个能够在室温下导电锂离子的固体高分子。 材料柔软，价格低廉，经得起各种考验。

在一个实验中，他们把原材料送到了弹道学实验室。 那里是用来测试防弹背心，用9mm子弹射击的。 两根电线将电池(扁平的银袋)连接到三星平板电脑上，后者的电源被小心地取下。 子弹击中后，电池像火山一样爆炸。 在慢动作中，可以看到像熔岩一样从火山口喷出塑料和金属。 但是，电池内部没有爆炸，没有爆炸和起火。 每次碰撞时，设备都会保持打开状态。 双梅尔曼说:“我一直认为聚合物会更安全，但我并不期待电池还能继续工作。”

据双梅尔曼介绍，这种聚合物将推动锂金属的迅速发展，加快锂-硫和锂-空气体等新型电池化学物质的使用。 长远的未来可能不仅仅是锂。 曼彻斯特大学研究员刘旭清表示:“这种改善与设备性能的改善速度不一致。 我们需要革命”。

牛津郡庞大的哈韦尔科学创新园区约翰·古德诺夫( john goodenough )宣布放弃在锂离子行业获得较大专利的地方，斯蒂芬·沃勒( stephen voller )表示饮料杯的大小和形状 沃勒是和蔼可亲的曼城球迷，将近50岁。 在加入第一家浏览器企业品牌Netscape(Netscape )公司之前，他曾在ibm担任软件工程师。 企业被aol收购后，沃勒对笔记本电脑电池续航时间的限制越来越失望，决定采取一些措施。

沃勒最初的想法是采用氢燃料电池延长电池的巡航时间，但其波动性说明了便携式电子产品是无法克服的课题。 他说:“氢气很难通过机场的安全检查。” 然后，通过牛津大学的熟人，沃勒听到了一些令人兴奋的研究，包括性能非常快的充电材料，比如超级电容器。 电池化学储存能量时，超级电容器可以像气球的静电收集一样进入电场。

超级电容器的问题是，它不能像电池一样储存能量，很快就会漏电。 如果不经常使用，锂离子电池的放电可以持续两周，但超级电容器只能维持几个小时。 许多业内人士认为，将超级电容器和电池结合起来可能有利于高端智能手机和其他高功耗技术产品。 海格表示，超级电容器可以用于制造一两分钟内即可充满电的混合动力手机，也可以作为备用锂离子电池。 他说:“如果你能充电很快，可以把它放在感应圈里，在搅拌咖啡的时候充电。 ”。

沃勒认为，他能做得更好。 年，他创立了zapgo。 这家企业正在开发碳基电池。 它的充电速度和超级电容器一样快，但充电时间和锂离子电池一样。 年11月，该公司的员工增加到22人，在哈维尔的卢瑟福研究所和北卡罗来纳州夏洛特的办公室工作。 第一批成本较高的电池将用于今年年底上市的第三方产品。 其中包括汽车辅助启动装置和充电时间从8小时缩短到5分钟的电动手推车。

沃勒手上的碳纤维是电池，采用固体电解质，不会着火。 两个电极由薄铝制成，上面覆盖着纳米结构的碳，用于增加表面积。 沃勒说:“我希望它看起来像喜马拉雅山。” 在显微镜下，就像城市天际线的轮廓。 zapgo技术的关键是提高效率和减少漏电量，第一是使电解液无缝配合上面的碳天际线，从而像拉链一样。

碳基电池最大的特点是长寿。 因为zapgo的电池存储不是以前传的电池，而是像气球一样。 就像沃勒说的“没有化学反应”一样，他主张新电池可以持续10万个循环。 这是锂离子电池的100倍。 即使每天给手机充电，也可以采用30年。 虽然现在的第三代zapgo电池没有强大到能带动高端智能手机工作，但由于采用的材料没有提供增加电压的障碍，沃勒预测将于2022年，也就是“iphone 15左右”投入实际应用。

这需要改变充电基础设施。 多个爆炸事件归咎于廉价的第三方充电器，这些充电器没有阻止爆炸所需的电子设备。 基于zapgo电池和超级电容器的系统需要充电器来做相反的事情。 从电网吸取能量储存起来，在短时间内传送到手机。 在实验室里，沃勒的团队制造笔记本电脑大小的电源，但正在努力变得更小、更高效。

包括戴森设计工程学院的山姆·库珀( sam cooper )在内的许多人怀疑这些企业是否真的愿意继续向产品移植这么久的附件。 库珀说:“手机企业有在下一次发布时及时停产旧设备的切实利益激励。 因此，开发更好电池的竞赛可能不存在。 ”沃勒承认，在zapgo拥有的约30项专利中，有人为降低电池寿命，阻止连续采用30年的方法。 他说:“我们不会这样做，但如果客户愿意，我们有能力提供给他们。”

与现有技术相比，碳基储能技术还有一个首要特点。 实际上可以作为手机的外部结构来采用。 沃勒没有设计适合现在手机设计的电池，而是为柔性屏幕和折叠式设备的未来做准备。 在4g通信网络中，所有数据都来自云端，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，走到下午的阳光下，穿过diamond light source的影子，这是一座巨大的环状建筑，看起来像宇宙飞船降落在牛津郡的乡下。 在内部，利用加速光束在微尺度上研究潜在的电池材料，寻找锂硫电池失败的理由以及获得阳极和阴极的替代材料，困扰着该行业近30年。

沃勒用空折腾着他的高端智能手机，哀叹锂离子电池的缺陷。 这促使他和其他数百人参加这个高风险的竞赛，重新发明这些优秀的有缺陷的电池。 “我们必须制定应对这种情况的战略。 无论是背包电池，还是两部手机，这都是疯狂的，事件不应该这样。 ”。 (小的)

来源：安莎通讯社