電池技術(shù)革新依然遙遙無期 未來著眼于納米工程

　　今后我們可能會(huì)使用空氣
　　IBM研究院(IBM Research)科技部主任錢德拉塞卡爾·納拉延是電池500項(xiàng)目(Battery 500 Project)的成員。該項(xiàng)目的目標(biāo)是，開發(fā)能夠提供行駛500英里路程所需電量的電池。IBM公司自身并不會(huì)生產(chǎn)電池，而是與消費(fèi)類產(chǎn)品制造商開展合作，將這一技術(shù)帶到現(xiàn)實(shí)中。
　　經(jīng)過多年的努力之后，納拉延看到了鋰-空氣技術(shù)的前景，即用汽車自身補(bǔ)給的氧氣取代石墨和其他的金屬。這類電池可以變得更輕，更安全，而且供電時(shí)間也更長(zhǎng)。但是研發(fā)新的混合物，將它們制成新材料，并檢測(cè)其在數(shù)千輛汽車上的安全性，需要花費(fèi)非常漫長(zhǎng)的時(shí)間。
　　納拉延說：“目前沒有一個(gè)指導(dǎo)性原則顯示，我們能夠年復(fù)一年地獲得進(jìn)步，也沒有捷徑可以走。要得到這種范式，唯有創(chuàng)建一種全新的化學(xué)反應(yīng)，而這一點(diǎn)并非創(chuàng)新所能企及的。”
　　當(dāng)前，鋰-空氣電池必須克服堵塞、內(nèi)部腐蝕和穩(wěn)定性問題。即便空氣電池能夠順利地演變?yōu)橐环N可行產(chǎn)品，納拉延認(rèn)為，在今后，電池技術(shù)將不再是“通用型”。“例如，對(duì)于電網(wǎng)存儲(chǔ)來說，它或許不是什么好技術(shù)。尤其是有尺寸要求的行業(yè)，我們或許很快將看到多種多樣的電池類型。”
　　當(dāng)前我們能做些什么：降低價(jià)格
　　凱特林大學(xué)（Kettering University）的凱文·白和周軒（音譯）在實(shí)驗(yàn)室中從事電池行業(yè)研究，但他們的談吐更像是買車人而不是實(shí)驗(yàn)室的書呆子。周軒表示，現(xiàn)今的混合動(dòng)力車存在多方面的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　周軒說：“目前，混合動(dòng)力的售價(jià)是每千瓦時(shí)500-600美元，但合理的價(jià)格應(yīng)該是200美元。而且冷卻系統(tǒng)的價(jià)格跟電池的價(jià)格是差不多的。如果汽車需要6,000美元的電池，那么就需要6,000美元的冷卻系統(tǒng)。”此外，凱文·白指出，這類電池的體積蠶食了本應(yīng)屬于后備箱或乘坐的空間。兩位科學(xué)家也認(rèn)為，電動(dòng)汽車不應(yīng)給人們帶來沉重的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)。
　　但是誰也不知道，哪些現(xiàn)有材料才能構(gòu)造出最安全、發(fā)熱量最低和重量最輕的電池混合材料，而且其價(jià)格要比現(xiàn)有的產(chǎn)品便宜。
　　現(xiàn)今在助聽領(lǐng)域使用的鋅-空氣電池重新激起了人們的興趣，而且尤為重要的一點(diǎn)在于，鋅很容易獲取。鈉-空氣電池也是一樣，成本更低，而且組裝起來更容易，只是潛在功率趕不上鋰-空氣電池。人們還嘗試過用硅來取代石墨和固體碳，但是硅并不便宜。或者，我們可以只專注于改善實(shí)驗(yàn)室和摩托車使用的鋰-鐵電池的成本和性能。
　　凱文·白表示，建造更大規(guī)模的電池廠、開發(fā)更好的電池管理工具以及更加智能的充電電網(wǎng)在很多方面要比等待一兩項(xiàng)新化合物獲得成功更為實(shí)在。
　　凱文·白說：“我們實(shí)際上離使用全新電池的交通工具還很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。只有在新材料經(jīng)過10年的測(cè)試之后，汽車行業(yè)才能放心使用新材料。”他表示，人們至少要等到2020年才能看見使用鋅-空氣電池的四輪車輛，然后，人們需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能看到這一電池技術(shù)的成熟。
　　未來我們能做什么：納米工程材料
　　德克薩斯農(nóng)工大學(xué)（A&M University）教授、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（American Society of Mechanical Engineers）能源和可持續(xù)性納米工程小組成員帕沙·穆克荷吉表示，現(xiàn)在還沒到放棄鋰離子電池的時(shí)候。我們可能仍會(huì)用它，但它將與我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中獲得新能力的材料混合使用。
　　納米工程師可能會(huì)對(duì)電池材料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，以加速電池單元電壓的產(chǎn)生速度，并提升其轉(zhuǎn)換效率。電解質(zhì)攜帶鋰離子的方式可能會(huì)發(fā)生改變，以杜絕“交通擁堵現(xiàn)象”，并縮短充電時(shí)間。人們可能會(huì)設(shè)計(jì)出更薄、更強(qiáng)大但伸縮依然自如的電池膜，這樣，即便電池受熱膨脹，也不會(huì)爆漿。或者一心一意開發(fā)能夠比碳、空氣或任何已知材料吸附更多鋰離子的材料。
　　穆克荷吉說：“我們需要詢問的最根本的問題在于，‘是否可以從頭再來？’。這就是必須解決的中尺度模型。我們是否能增加材料的寬容度，以滿足我們對(duì)于電池的訴求？”
　　與此同時(shí)：著眼于長(zhǎng)遠(yuǎn)
　　一年前，伊利諾伊理工大學(xué)的塞格雷從美國能源部獲得了340萬美元的獎(jiǎng)金，用于開發(fā)汽車用“流體電池”。流體電池將其活性化合物儲(chǔ)存在外部?jī)?chǔ)罐中，然后流經(jīng)電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部。塞格雷的工作專注于開發(fā)具有足夠活性和能量的液體介質(zhì)，以抵消液體的重量劣勢(shì)。
　　流體電池或許可以應(yīng)用于汽車和電網(wǎng)，但卻無法適用于手機(jī)或筆記本。與其他的研究人員一樣，塞格雷深知，這將是一個(gè)漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)過程，除非研究人員能夠在偶然間發(fā)現(xiàn)幾種能用于電池的不同材料組合。與此同時(shí)，“對(duì)于大多數(shù)人來說，這是一件尤為痛苦的事情，因?yàn)閹啄赀^后，電量沒了，容量也下降了，然而電池供電的電子產(chǎn)品卻在不斷前進(jìn)。”
　　過去幾十年中，我們一直生活在摩爾定律（Moore's Law）當(dāng)中。根據(jù)該定律，處理器中的晶體管數(shù)量每?jī)赡陼?huì)翻一番，而這也說明了技術(shù)進(jìn)步的穩(wěn)定性。我們目前所面臨的局勢(shì)是，晶體管尺寸已接近原子水平，芯片無法容納更多的處理器，而且我們對(duì)設(shè)備中一成不變的電池感到不滿。
　　換句話來說，物理中是沒有應(yīng)用程序的。金門大學(xué)（Golden Gate University）市場(chǎng)營(yíng)銷教授米蓋爾·安·斯特拉赫維茨表示，這對(duì)于深諳技術(shù)的消費(fèi)者來說可能有點(diǎn)難以接受，因?yàn)樗麄円呀?jīng)習(xí)慣了電子設(shè)備每一部件都會(huì)定期改良。
   　斯特拉赫維茨說：“適應(yīng)升級(jí)很容易，得到的升級(jí)越多，對(duì)進(jìn)一步升級(jí)的期望也就越大。在這個(gè)電子產(chǎn)品越來越好，性能越來越高的世界中，我們覺得這是我們應(yīng)享有的權(quán)利。我們會(huì)問，‘為什么電池不能變得更好呢？’”