手機沒電生無可戀？以後可以指望它們！

1. 前言

你以為人類最底層的需求是WiFi？Too young！

人類最底層的需求是電池電量啊！

有人說我畫的像一坨便便

目前，手機和電動車等產品中使用的電池都是鋰離子電池。雖然這項技術在未來幾年仍將如火如荼地發展，但科學界早有了一個共識：

如果沒有大突破，鋰離子電池無法滿足未來的儲能要求。

如果，你想要買個一口氣跑幾百公里的電動車，或者用個三五天不充電的iPhone，那麼關於電池的未來，你還需要知道點別的。

2. 鋰離子電池的窘境

商用的鋰離子電池由三部分組成，分別是鈷酸鋰正極，碳負極和電解液。充電時，鋰離子從正極中出來，經過電解液，到達負極，同時電子經過外電路轉移到負極，放電時則相反。於是，隨著電池一次又一次地充放電，鋰離子不斷地在兩極間往返。這個體系自從被開發之後，已經幾十年沒有重大的改變了。

鋰離子，如同希臘神話中的西西福斯，又好像數學題中往返AB兩地的狗，就這樣日復一日地奔波

現有的鋰離子電池技術面臨著三個問題，分別是

能量密度低，安全存在隱患，成本太高。

2.1 能量密度低

首先，能量密度是評價電池最重要的指標之一。同等質量的電池，誰能存儲更多的電能，誰的能量密度就高。美國能源部曾經為鋰離子電池規划了一個路線圖，原定希望在2017年，鋰電池的能量密度可以達到每千克400瓦時。這一數值意味著，現有的電動車通過單次充電可以持續跑500公里以上。然而，目前最優秀的商用鋰離子電池也僅達到了預期的75%[1]。

2.2 安全有隱患

其次，在安全性方面，鋰離子電池長期受人詬病。特別是三星手機的爆炸事故，把鋰離子電池推到風口浪尖。

鋰電池的安全隱患源自於對高溫的敏感。一般來說，鋰電池設備使用溫度需要低於60℃。工廠在安全測試時， 會將電池置於80℃的環境中進行高溫耐久考驗，沒有明顯的變形或起火，就算是合格。還有一種比較極端的條件叫做熱濫用測試：將電池放入130℃試驗箱中，堅持半小時不起火，即算達到安全標準[2]。

截至目前， 媒體報道過的鋰離子電池「致死」的事故有三起：

（1）2009年，中國廣州一男子疑似因手機爆炸，造成大出血死亡。隨後調查發現其實是該男子隨身攜帶的自製火藥發生爆炸，而不是手機[3]；

（2）2013年，澳大利亞一名四歲女童，因為吞咽一枚鋰電池，造成胃出血死亡[4]；

（3）2016年，美國印第安納州兩人醉酒駕駛電動車，高速撞到一棵大樹，隨後發生起火，一人因吸入濃煙致死，另一人因為撞擊致死[5]。鋰離子電池造成致傷的案例報道也有不少。

但是，如果我們梳理一下鋰電池這幾年「造的孽」，會發現其中絕大多數都是「非正常操作」造成的事故。有史以來，殺人最多的事物可能是刀子，但很少聽到對刀子安全性的抱怨。一方面是人們發明了刀鞘，另一方面也是因為大家都知道如何使用它。希望鋰離子電池也能迎來這一天。

2.3 成本居高不下

造成鋰離子電池成本居高不下的原因有兩個方面。

一是原料太貴。2016年，作為鋰電池主要原料的碳酸鋰，僅用半年時間價格就翻了2.5倍。當年要是買那麼十幾噸碳酸鋰，比炒房掙錢。

二是鋰電池的生產尚未規模化，各大廠商都在各自為政。這時，特斯拉又站了出來。他們正在建造了一座千兆工廠（Gigafactory）。這家工廠又叫做超級電池工廠，建成後將成為世界面積最大的建築。它的任務就是生產鋰離子電池，並以一廠之力超過全球其他所有工廠產量總和，希望以大規模生產的方式降低成本。然而，這個大工廠距離全面投產的階段為時尚早。

超級電池工廠模擬圖。廠區看起來像一大盒子積木，可能因為廠長是前樂高高管。圖片來源：http://Tesla.com

如上，性能，安全，價格這三座大山橫亘在鋰離子電池的未來之路上。科學家們也不確定鋰離子電池在移動儲能領域中霸主地位能延續到何時。

如果，鋰離子電池的後續乏力，那麼，下一個登場的領跑者會是誰呢？

3. 可能的未來

目前，後備選手都很多，比如鈉離子電池，多離子電池，金屬空氣電池，鋰硫電池和液流電池等等。每一項技術都有自己的優勢和不足。下面，就介紹三種潛力較大的電池。

3.1 鈉離子電池

鈉(Na)離子電池工作原理與鋰離子電池類似，只不過將電荷的搬運工換成了鈉離子。採用鈉的最大好處就是儲量豐富。鈉的總儲量是鋰的400倍。

鈉（Na）是最常見的鹼性金屬，也是地球上第六豐富的元素

此外，在電池中有一個份量很大的部件叫做集流體，用來收集產生的電流，再將這些電流供應到外電路。鈉離子電池中集流體的材料是鋁，而鋁在鋰電池中會被腐蝕，所以鋰離子電池的集流體只能採用銅來製作。鋁的價格是銅價格的三分之一。所以，鈉自己便宜，他的小夥伴也很便宜。這個特點促成了鈉離子電池在成本上的巨大優勢。

但鈉離子電池體系的缺點也很明顯。第一，鈉離子的半徑是0.102nm，而鋰離子半徑僅有0.076nm。不難想像，當一個胖胖的鈉離子在電極中不斷運動時，很容易引起電極材料微觀結構的破壞和崩塌，也就是「撐壞了」，從而造成電池容量的迅速衰減。第二，鈉元素的相對原子質量是鋰的3倍多，這意味著儲存同樣的一份能量，鈉離子電池需要更大的質量，進而造成了它的能量密度較低。歸根結底，鈉離子電池的這些缺點只因為鈉是個「胖子」。

心疼鈉離子一秒鐘

3.2 多離子電池

在離子狀態時，鋰元素的價態是+1，意味著它的每次移動可以攜帶一個電荷，對應於一個電子的轉移。所以，當鋰的數量為n時，這個電池所能儲存電荷數量的上限就是1*n。

如果，一個離子能夠同時攜帶多個電荷進行移動呢？比如鎂(Mg)離子價態是+2，可以同時攜帶兩個電荷。理論上講，使用同等數量的鎂離子和鋰離子，鎂離子電池所能存儲的電荷數會是鋰電池的兩倍。鋁(Al)離子更厲害，可以同時攜帶三個電荷。

基於這個道理，科學家們就開發出了使用高價態金屬離子的電池，即多離子電池。因為相同數量的離子能夠存儲更高密度的電荷，所以多離子電池容易達到較高的能量密度。

此外，鋰離子電池使用的電解液是一種有機溶液，易燃且有毒。但多離子電池所使用的電解液不同，安全性更好。比如，2016年《自然》（Nature）報道的鋁離子電池中，所使用電解液化學穩定性很高，即使用電鑽在上面鑽個眼兒，仍然照常工作[6]。

鋁離子電池的鑽孔實驗 圖片來源：參考文獻[6]

當然，多離子電池也同樣會遇到很多麻煩。比如，鎂和鋁這些高價態離子，雖然離子半徑沒那麼大，但是帶的電荷多，所以在電解液中遷移速度慢。這就好比，提著兩大箱行李，試圖在春運的火車上穿過一節車廂。遷移慢所造成的後果是電池的倍率性能不好。倍率性能可以粗略的理解成電池的充放電速度。所以，多離子電池是很難實現「充電五分鐘，通話兩小時」這種性能的。

3.3 鋰空氣電池

讓材料與氧氣發生反應是人類獲取能源一種最普遍的方式，比如燒木頭或燒煤炭。因此，科學家試圖通過鋰與空氣中的氧氣進行反應，將產生的能量轉為電能。這種設計就被稱為鋰空氣電池。

鋰空氣電池的設計原理與鋰離子電池有很大的不同。它的負極材料是金屬鋰，正極是空氣，準確來說是空氣中的氧氣。放電時，金屬鋰向電解液提供鋰離子，這些離子與氧氣反應，生成過氧化鋰，同時發生電荷轉移，從而產生電能。

鋰空氣電池的理論能量密度很高，達到每千克12000瓦時，這一數值甚至和汽油（每千克13000瓦時）有一戰之力[7]。而且，它使用的氧氣來自於空氣，這部分原料近乎無限。理論上來講，鋰空氣電池的儲能能力可以達到鋰離子電池的12倍[7]。

燃燒吧，鋰的小宇宙

然而，鋰空氣電池也是一項爭議很大的技術，它的反對者們主要有兩個觀點：

（1）鋰空氣電池中發生的反應太複雜，有多種副產物生成。這造成了科學家其實也不太清楚自己的電池中到底發生了什麼。比如有個業內的八卦，說是一位很有名望的科學家在《科學》（Science）發了一篇鋰空氣電池的文章，達到了一個很棒的性能，可別人怎麼也重複不出來。後來發現，他所做的鋰空氣電池中，發生反應的其實是集流體和電池殼，而不是預想的金屬鋰。最後鬧得尷尬收場。2016年，幾位電池領域的元老一起撰寫了一篇評論，刊登在《自然-能源》（Nature Energy）上，在結尾處。他們感嘆道：「沒人能確定鋰空氣電池是否靠譜，但我們有責任去探究這種可能性」[8]。

（2）條件太苛刻，普及極難。即使不考慮電池本身的原料和組裝等因素，想要大範圍應用鋰空氣電池，現階段也是不可能的。這其中一個重要原因是，雖然名為鋰空氣電池，但實際參與反應的是氧氣，因此需要一套附屬設施來進行提取出空氣中的氧氣。這套附屬裝置無論從成本還是便攜度上都極大拉低了鋰空氣電池的競爭力。

然而，鋰空氣電池的巨大潛力和挑戰，還是讓很多有雄心的研究機構紛紛扎了進來，雖然，舉步蹣跚。作為納米科技的杠把子，IBM公司就曾想攻下鋰空氣電池這個山頭。2009年，IBM推出了一個計劃，名為「Battery 500」，寓意著開發一套能讓電動車行駛500公里的電池。他們的著力點就是鋰空氣電池。項目伊始，他們設立的目標是2013年造出原型機，2020年實現商業化生產[9]。但是，2012年之後，你就很難在網上找到關於「Battery 500」的隻言片語了。如果不是IBM在偷偷憋大招，那麼只能說明，這個計劃打臉了。不過也有傳言說IBM並沒有放棄，而是將目光投向了鈉空氣電池。希望藍色巨人能給我們帶來驚喜吧。

4. 總結

每一項科技都有其自身的優點與缺憾。圍繞著「性能，安全，成本」這三個指標，電池領域的科研人員每天都在探索著材料的極限。科技從來不是十全十美的，我們只能努力去完善。

真心希望電池技術越來越棒。

別的不說，讓我能多玩幾局農藥唄。

參考文獻

[1]The rechargeable revolution: A better battery, Nature, 2014, 507, 26-28.

[2]中華人民共和國國家標準（GB/T 1.1-2009）攜帶型電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求。

[3]「廣州『手機炸死人』真相遭媒體質疑」，騰訊網，2009年2月5日，http://tech.qq.com/a/20090205/000232.htm.

[4]「紐扣電池成致命殺手 澳幼女吞下後不治身亡」，映象網，2017年3月11日，https://kknews.cc/zh-sg/world/gv585bl.html.

[5]「Tesla crash in Indianapolis leaves two dead」，Daily Mail Online， http://www.dailymail.co.uk/news/article-3908700/Two-people-killed-Tesla-crash-Indianapolis.html.

[6] "An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery", Nature, 2016,520, 324–328.

[7] Li–O2 and Li–S batteries with high energy storage Nature Materials. 2012, 11, 19-29.

[8]"Advances in understanding mechanisms underpinning lithium–air batteries", Nature

[9]"Air battery to let electric cars outlast gas guzzlers", New Scientist, 2012, https://www.newscientist.com/article/mg21328466.200-air-battery-to-let-electric-cars-outlast-gas-guzzlers/

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