它几乎是所有民意调查中的“头号要犯”,但生产商总是充耳不闻。它——电池续航时间,已成为当代智能手机的通病,还由此衍生出了备用电池、充电外壳、迷你电源线等无数产品构成的一整套周边产业。但这个局面可能要被推翻,因为科学家们宣布,他们已经摘得电池设计领域的“圣杯”。
在发表于科学期刊《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)的论文中,斯坦福大学的研究人员称,他们设计的一种纯锂阳极有望将现有电池技术的容量提高三倍。
“在所有可用的阳极材料中,锂金属潜力最大,”这支斯坦福研究团队的带头人、材料科学与工程教授崔屹称,“有将它比作 圣杯 。它非常轻质,但能量密度却是最大的。单位容量与质量所存储电能更多,从而带来更加轻质、小巧且高容量的电池。”
科学原理
要理解背后原因,你需要一点科学常识。当今所有电池中,绝大部分都是所谓的“锂离子”电池。它们由三个核心部分组成:电解液、阳极和阴极。电解液提供电子(电能的关键要素),阳极将电子释放到设备之中供电,这些电子在设备电路中兜了一圈之后,经由阴极回到电池。
当前面临的问题是,“锂离子”电池中的锂存在于电解液中,而不存在于阳极(阳极通常由石墨或硅制成),因此电子在被送入设备之前无法得到高效率的吸收。而一旦制造出纯锂阳极,电池效率连同其性能就会突飞猛进。人们追寻这个目标已经有几十年了。
技术难关
制造纯锂阳极的问题在于,当电池充满电时,锂离子会呈发丝状扩散,力度之猛可以导致电池外壳扭曲或崩裂,就算外壳可以承受,阳极也会因化学活性太强而与电解液反生反应,使电池充电能力迅速下降。
有多迅速呢?之前的研究中,科学家们曾制造出电池效率为96%的纯锂阳极电池,但即便如此,在100次充电之后,它的充电能力就降到了50%。相对于智能手机、笔记本电脑或电动汽车等更大型的设备的平均使用寿命而言,这是远远不够的。
技术突破
按照斯坦福大学研究人员所说,他们实现的是一种不会膨胀、且电池效率得到大幅提高的纯锂阳极电池。也就是一块稳定的电池,在150个充放电周期过后仍能维持99%的电池效率。
这是怎样实现的呢?研究人员们在纯锂阳极的表面包裹了一层“纳米微囊”——由相互连接的碳半球构成的保护层,形成蜂巢结构,具有弹性、均匀性和非反应性,既阻止了锂离子的过度膨胀,也防止了阳极与电解液发生反应。令人惊叹的是,每颗电池中的纳米保护层只有20纳米厚——相当于一根头发丝的5,000分之一。
另外,由于这种电池的核心原理与标准电池无异,理论上讲,它无须任何修改就能适配现有设备。可拆卸电池设备甚至只要将锂离子电池换成纯锂电池,就能享受三倍于当初的电池续航时间了。
未来,电池还可因此变得更加小巧(比如体积变成当前电池的一半,容量却变成之前的两倍),从而使更加轻薄、续航更久的设备成为可能。
“在实际应用中,打个比方,若电池容量能提升到今天的四倍,就相当振奋人心了。”你那手机电池的续航时间可能增加到现在的两到三倍,你可能只花2.5万美元——相当于一辆燃油经济性为每加仑汽油跑40英里的汽车的价钱——就能买到续航里程300英里的电动汽车。”研究团队成员、美国前能源部长兼诺贝尔奖得主朱棣文说。
未来挑战
但“革命”尚未成功。要具备商业可行性,电池效率需要达到99.9%,该团队99%的成果离这还差了一截。
“我们需要迈过那个99.9%的门槛,虽然差距仍然存在,但已经不远了,而相对之前任何设计而言,这都是一次重大的飞跃。”崔屹说,“我们相信,凭借进一步的工程设计和新的电解液,我们可以创造出稳定的锂金属电极,以支持新一代的可充电电池。”
听,那是什么声音?特斯拉(Tesla)和苹果(Apple)正在“梆梆梆”地敲他们的门呢。
译 丁盈幸 校 李其奇