“電池不含在內(nèi)”！

    可曾記得收到新玩具后，包裝盒側(cè)面這些字給你澆的冷水？長大以后，我們的高科技“玩具”變得愈加復雜而迷人。但驅(qū)動它們的電池工作原理卻沒有改變。

    果真如此么？

    智能電網(wǎng)（Smart grids）、混合動力車、可再生能源都是熱門環(huán)保技術(shù)，但在幕后，化學家和工程師們正致力于削減電池帶來的生態(tài)影響。近期羥基氧化鎳、橄欖石型磷酸鋰鐵、納米線等鎳、鋰電池化學技術(shù)方面的突破有望讓明日各種數(shù)碼產(chǎn)品放棄歷史悠久但問題多多的堿/二氧化錳AA電池。

    羥基氧化鎳(NiOOH或NiOx)電池已經(jīng)面世數(shù)年，類似堿性電池，但采用基于鎳制負極以產(chǎn)生更高的電壓（1.7V，堿性電池為1.5V）。NiOx電池一般用于高功耗應用（比如數(shù)碼相機或便攜式游戲產(chǎn)品），據(jù)稱可以提供相當于堿性電池兩倍的壽命。但在遙控器等低功耗應用中，NiOx電池壽命與堿性電池相當。

    索尼近期首先將該技術(shù)的鋰離子電池變種商業(yè)化。該技術(shù)由美國研究人員開發(fā)，使用橄欖石型磷酸鋰鐵(LiFePO4)作為負極。索尼將新的負極材料與一種據(jù)說可以最大限度減小電阻的專利微粒設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了3.3V輸出、1800W/kg功率密度的可充電電池設(shè)計，擁有長使用壽命，在2000輪充/放電后仍保持80%初始容量。該電池擁有快速充電能力（30分鐘充至99%），并且在使用時維持穩(wěn)定的放電電壓。

    該電池已應用于索尼公司的一些強力工具，并在實際應用中獲得正面反饋。

    最早的LiFePO4技術(shù)專利由得克薩斯大學的John Goodenough及其團隊于1996年取得。LiFePO4作為解決鋰鈷氧化物和鋰錳氧化物等鋰離子電池結(jié)構(gòu)放電率低、循環(huán)壽命短問題的方案被設(shè)計出來。

    LiFePO4是一種高穩(wěn)定性材料，科學家相信它可以被用于無數(shù)消費級應用，從手機和游戲產(chǎn)品的可充電電池到電動汽車等大型應用。（雪佛萊即將上市的Volt采用220芯鋰離子電池）。

    橄欖石結(jié)構(gòu)讓LiFePO4的晶格變形比其它電池結(jié)構(gòu)更小，帶來更好的放電過程。因此該材料的循環(huán)壽命極長，LiFePO4也顯示出極佳的存儲壽命。它還可以忍受氧化和酸性環(huán)境。

    電池安全性方面，LiFePO4的電池結(jié)構(gòu)在300°C至500°C的極高溫度下仍可保持穩(wěn)定，最高可以承受700°C。在這種極端溫度下，其它鋰電池會裂化甚至爆炸。

    LiFePO4的快速充電、長壽命特性明顯有助于環(huán)境保護。電動汽車采用LiFePO4電池也會獲得更長的充電后行駛距離，希望推出產(chǎn)品與Volt競爭的汽車廠商可能會感興趣。

    另一項前途無量的鋰電池技術(shù)是納米線電池，以覆蓋著硅納米線的不銹鋼正極取代傳統(tǒng)鋰電池的石墨正極。硅能夠存儲的鋰比石墨多十倍，使功率密度大幅提升。電池總質(zhì)量減輕，增加的表面積允許更快的充/放電率。

    電池通過鋼正極表面所覆蓋硅線的收縮/擴張輸出電能。充電過程中，硅線吸收充電后的鋰原子，發(fā)生擴張；放電過程中，硅線上的鋰離子被吸走，硅線收縮。

電子顯微鏡下的硅納米線在吸收鋰前（左）后（右）的照片。網(wǎng)擴張至正常體積四倍，沒有損傷

    傳統(tǒng)、簡單的硅正極研究始于三十多年前。當時的科學家決定放棄硅，因為這種材料在鼓起吸收鋰時容易分裂、受損，致使正極容量太弱，不足以支持進一步研究。

    斯坦福大學的研究人員判斷問題源于當時所用硅材料的形狀。

    現(xiàn)在的方法改用直徑為紙張厚度千分之一的樹形納米線。納米線吸收鋰后體積擴張至正常狀態(tài)下的四倍，但硅正極不會斷裂或損傷。

    納米線電池研究人員正在尋找一種適當?shù)呢摌O材料，取得與硅網(wǎng)正極相匹配的充/放電能力，從而全面展現(xiàn)該技術(shù)在能源存儲密度方面的突出進步。斯坦福大學材料科學與工程助理教授Yi Cui正領(lǐng)導團隊開拓此項正極技術(shù)，他們相信五年后納米線鋰離子可充電電池技術(shù)即可實現(xiàn)全面商業(yè)化。

    以上幾項技術(shù)僅僅是開始，隨著深入電池研究的繼續(xù)，電子產(chǎn)品玩家可以期待電池壽命超過玩具自身壽命這一天的到來。■