從口袋中的手機到公路上的汽車,幾乎所有的東西只要帶有電路都需要電池。在過去的幾十年里,盡管科技產業的其它板塊飛速發展,電池卻進步緩慢。
在如今的交通、能源、基礎設施等領域,電池不足已經成為最大的瓶頸。我們的能源需求還在不斷增長,但我們可以攜帶、存儲的能源卻是有限的。智能手機很難續航一天,電動汽車充電一次的行駛里程比汽車和柴油汽車更短,從源頭(比如太陽能面板)存儲能源是一件相當困難的事。
我們非常需要在能源存儲上取得突破,許多企業都在研發新技術,包括石油巨頭。一旦成功,可能會就形成一個利潤龐大的市場,可惜的是電池的化學特性存在限制,我們很難克服。
最大的問題在于能量密度:在特定體積和重量的存儲單元內可以存儲多少能源。1991年鋰電池首次推出,它已經用在手機、汽車、其它可充電設備上,每千克大約可以存儲電能150和250瓦時(Wh/kg)。為了更好地理解,我們可以類比一下,一臺冰箱每天消耗1600瓦時電能,汽油存儲的能量大約為每千克13000瓦時——比最好的鋰電池多了50倍。
還有一些電池用其它金屬或者元素來形成化學反應,比如硫磺或者硅,但是研究者很難提高能量密度,很難達到安全要求。
倫敦帝國學院戴森工程設計學院比利?吳(Billy Wu)認為:“你在盒子中裝入的能源越多,它的危險系數就越高。安全是關鍵,熱管理相當重要。如果電池的溫度超過80攝氏度,組件就會開始分解,可能還會爆炸?!?/p>
咨詢公司Freedonia Group、戴森、特斯拉、三星、松下、IBM最近對電池產業做過調查,預測整個電池市場的規模到了2019年將會達到1200億美元。
特斯拉電動汽車充電一次可以開200-300英里(約322-483公里),它最近還進入到家庭電池市場。通過與松下合作,特斯拉投資50億美元建設“Gigafactory”工廠。要將電動汽車推向大眾市場,電池的大規模生產是一個關鍵因素?,F有的特斯拉Model S定價大約58300英磅(約55.5萬元),電池占了近五分之一。
許多人認為500英里是一個關鍵點,汽車或者柴油汽車裝滿一箱油平均可以開500英里(約805公里)左右。從2009年開始,IBM的Battery 500 Project項目就在開發鋰空氣電池,它的能量密度有可能達到汽油的水平,只是到目前為止商用產品仍然不見蹤影。
鋰空氣(或者鋰氧)電池從空氣中“呼吸”氧氣,用于形成化學反應,產生電能,現有的電池——比如鋰電池——將氧化物存儲在電池內部。正因如此,鋰空氣電池的能量密度才會大大提高,與汽油相當,從理論上講鋰空氣電池的能量密度相當于目前鋰電池的10倍。
德州達拉斯大學教授Kyeongjae Cho認為,鋰空氣電池有很大的希望。他說:“盡管全球許多集團都在積極研究,但希望并沒有出現在現實生活中,我們的研究是一個激動人心的進步?!彼难芯恐饕獙W⒂阡嚳諝怆姵氐碾娊庖捍呋瘎?,和傳統的固態催化劑相比,使用可溶解的催化劑能夠明顯提升性能。Kyeongjae Cho表示:“希望我們的發現可以讓研究恢復生機,為未來發展積累動能?!?/p>
據報道,Kyeongjae Cho研究的電池成本和重量只有當前電池的五分之一,鋰空氣電池可以讓汽車充電一次開400英里(約644公里),讓手機續航一周。但是據Kyeongjae Cho透露,要在實際應用中增加鋰空氣電池的容量有點難,雖然許多大企業和大學都在研究,但是結果遠遠不能讓人滿意。到目前為止,電池還存在效率低、倍率性能不佳、不穩定、存在多余化學反應等問題。
比利?吳說:“許多人都在談論金屬空氣系統,它已經出現在水平線上,但是離商用還有20多年的距離?!?/p>
去年10月,戴森收購了Sakti3公司,它是一家專門研發固態電池的企業,固態電池的能量密度是鋰電池的2倍。Sakti3使用固態聚合物作為電解質,充電的速度可以加快。
在消費領域之外,許多研究圍繞能源供應展開。比利?吳稱:“可再生能源存在一個問題,比如太陽能和風能,它們的能源是間斷的,有時會帶來很好的能源,有時會中斷,免得電網負載過高?!?/p>
將能源存儲在電池中也許可以解決供應問題。但就目前來看,要在大型電池組或者在家中存儲這樣的能源同樣存在限制——和消費電子一樣的限制。所有的商用電池公司能做的只有盡可能利用好鋰電池電芯。
電池技術的突破終將到來,但時機尚未完全成熟。