美能源部計(jì)劃未來(lái)5年內(nèi)使鋰電池容量增加到5倍

    電池是一種極其重要的技術(shù)，現(xiàn)代生活離開(kāi)電池將無(wú)法想象。但很多工程師認(rèn)為目前電池的性能不盡人意，其性能依然具有很大的提升空間。如果能以合理的價(jià)格生產(chǎn)出性能更好的電池，不僅能使內(nèi)燃機(jī)成為多余，而且也能使人類廣泛利用風(fēng)能和太陽(yáng)能，引領(lǐng)人類進(jìn)入零排放燃料時(shí)代。誠(chéng)如此，確實(shí)將是一場(chǎng)綠色能源革命。然而，人類對(duì)這場(chǎng)革命的期待已經(jīng)太久。期待時(shí)間越久，人們就越懷疑它是否會(huì)真正發(fā)生。

    2012年12月，美國(guó)成立的國(guó)家級(jí)“能源存貯研究聯(lián)合中心”，希望能證明懷疑論者是錯(cuò)誤的。該中心聚集了美國(guó)能源部下屬的5個(gè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室、5所大學(xué)和4家私營(yíng)公司從事能源研究的頂尖科學(xué)家。時(shí)任美國(guó)能源部長(zhǎng)朱棣文指出：“這是一個(gè)世界一流科學(xué)家和一流公司組成的合作團(tuán)隊(duì)，他們將確保世界最先進(jìn)的電池技術(shù)在這里研發(fā)出來(lái)并在美國(guó)生產(chǎn)。”此舉是繼日本之后第二個(gè)由政府主導(dǎo)、產(chǎn)學(xué)研合作組建有形實(shí)體的國(guó)家級(jí)動(dòng)力電池研發(fā)機(jī)構(gòu)，是美國(guó)政府著力推動(dòng)先進(jìn)動(dòng)力電池發(fā)展的一項(xiàng)重大舉措。

    據(jù)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志報(bào)道，該中心最近獲得了美國(guó)能源部提供的1.2億美元研究經(jīng)費(fèi)，其目標(biāo)非常宏偉——在未來(lái)5年內(nèi)使電池容量增加到5倍，成本降為五分之一。

    積極的探索方案

    克瑞斯·普佩克是美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一位工業(yè)化學(xué)家，他很堅(jiān)定地在空中晃動(dòng)著一個(gè)裝有白色粉末的試管。普佩克的同事只需少量粉末，便能分析出它是否有潛力成為電池研究領(lǐng)域可采用的最新材料。普佩克博士的工作職責(zé)就是確定新材料是否具備轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的潛力。簡(jiǎn)言之，就是發(fā)現(xiàn)具有合適屬性的新材料用以制造價(jià)廉且能批量生產(chǎn)的電池，并將具有潛力的新材料轉(zhuǎn)給工業(yè)界進(jìn)行測(cè)試。他和同事們希望至少發(fā)現(xiàn)一種能引發(fā)一場(chǎng)革命的新材料。

    大多數(shù)電池——從最初用于發(fā)動(dòng)汽車(chē)的笨拙鉛酸蓄電池，到現(xiàn)在為電子書(shū)讀寫(xiě)器、手表等提供動(dòng)力的造型優(yōu)美的小型鋰電池——都必備三個(gè)部件：兩個(gè)電極（陽(yáng)極和陰極）和電解質(zhì)（包括固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種形態(tài)）。而開(kāi)發(fā)新型電池的技巧，就是深入探究上述三個(gè)部件的材料，致力于優(yōu)化電池性能和降低成本。普佩克手中的白色粉末就是此類新型材料中的一種。

    為了發(fā)掘更多的此類材料，阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用了麻省理工學(xué)院戈布蘭德·辛德?tīng)柌┦縿?chuàng)立的、依然在不斷擴(kuò)展的物質(zhì)百科全書(shū)——“材料計(jì)劃”，該計(jì)劃旨在建立一個(gè)可與谷歌相媲美的網(wǎng)絡(luò)引擎，專門(mén)用于搜索各種材料的屬性，能讓來(lái)自大學(xué)、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)界的科學(xué)家共享信息，以促進(jìn)新材料的研發(fā)。研究人員通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)描繪出各種無(wú)機(jī)化合物的屬性，包括其穩(wěn)定性、電壓、電容和氧化狀態(tài)等，并將這些結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫(kù)。截至2011年底，該數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)收錄了1.5萬(wàn)多種無(wú)機(jī)化合物，而且每天還會(huì)吸納數(shù)百種“新成員”。在探尋更優(yōu)電極材料進(jìn)程中，阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將此計(jì)劃作為“參考圖書(shū)館”，并希望能為它“增磚添瓦”。提高鋰電池性能為主要目標(biāo)

    作為目前最為成功的蓄電裝置，已問(wèn)世20多年的鋰電池的用途非常廣泛，目前已被成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)甚至客機(jī)。然而，其最大缺陷是容易過(guò)熱和燃燒。

    波音787夢(mèng)幻客機(jī)是全球首款廣泛使用鋰電池的客機(jī)，今年1月遭遇數(shù)次故障。美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)的初步調(diào)查認(rèn)定，該機(jī)型1月7日發(fā)生的電池起火事故，其原因是電池組的8個(gè)單電池，有一個(gè)發(fā)生多重短路，引發(fā)所謂熱失控的化學(xué)反應(yīng)，溫度逐漸升高。短路也逐漸擴(kuò)散到其他單電池，并導(dǎo)致起火。鑒于此，目前全球數(shù)十架波音787停飛，等待波音公司以及日本和美國(guó)政府的最終調(diào)查結(jié)果。2月初，波音公司提議對(duì)787夢(mèng)幻客機(jī)的電池設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列更改，考慮增加鋰離子電池單元格之間的間隔，以減輕電池內(nèi)部熱量和火蔓延的潛在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加強(qiáng)化的熱傳感器。

    針對(duì)由“材料計(jì)劃”或者其他來(lái)源所提供的各種組合材料的首次測(cè)試，其目標(biāo)是擊敗現(xiàn)有的鋰電池。對(duì)全世界科學(xué)家而言，能夠成功改進(jìn)鋰電池的性能將成為一項(xiàng)非凡的成就。

    最近被任命為能源存貯研究聯(lián)合中心主任的喬治·克拉布特瑞認(rèn)為，很快就需要在這方面進(jìn)行改進(jìn)。他認(rèn)為目前科學(xué)家在改進(jìn)鋰電池性能方面業(yè)已取得很大成就，替換鋰電池指日可待。該中心副主任杰夫·謝姆布萊恩對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)展更有信心，認(rèn)為在鋰電池既定重量基礎(chǔ)上，依然有可能將其儲(chǔ)能容量增加一倍，成本降低30%—40%。

    那么，如果科學(xué)家使鋰電池技術(shù)逐步趨于極限，是否能制造出真正與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相媲美的電動(dòng)汽車(chē)呢？據(jù)全球著名的商業(yè)咨詢公司麥肯錫公司估計(jì)，到2020年鋰電池汽車(chē)將具有競(jìng)爭(zhēng)力，但未來(lái)依然需要做大量工作。此外，科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)可與鋰電池相媲美的其他各種新型電池。

    其中的領(lǐng)先者可能就是鋰空氣電池。這種電池的原理是，利用空氣中的氧氣作為電解質(zhì)，從而減少電池自身重量，這意味著在理論上其能量密度非常大——這一點(diǎn)非常重要。與傳統(tǒng)的石油燃料驅(qū)動(dòng)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)的主要缺點(diǎn)就是能量供給偏少，1公斤汽油所蘊(yùn)含的能量（以焦耳為計(jì)量單位）是同等重量電池的6倍以上。設(shè)法降低該比率將使電動(dòng)汽車(chē)更具吸引力。

    目前對(duì)鋰空氣電池的炒作力度很大，但需要研究人員耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能解決一些技術(shù)難題。鋰空氣電池充電困難且性能極不穩(wěn)定，此外，為電池提供能量的化學(xué)反應(yīng)存在自燃風(fēng)險(xiǎn)，因此，鋰空氣電池非常易燃，需要笨重的安全系統(tǒng)以防止其起火。

    幸運(yùn)的是，能源存貯研究聯(lián)合中心的研究人員有若干其他備選方案，多價(jià)離子電池便是其中之一。一個(gè)鋰原子僅擁有一個(gè)可用于化學(xué)反應(yīng)的電子，相比之下，鎂原子擁有兩個(gè)價(jià)電子，鋁原子則有三個(gè)價(jià)電子。該中心張伯倫博士指出，從理論上講，這意味著鎂電池或者鋁電池有可能獲得兩倍或三倍于鋰電池的能量。雖然這些金屬并不像鋰那樣輕，但它們額外的價(jià)電子可以增加其所存儲(chǔ)的能量，這種特性將使它們可與石油相媲美。此外，鎂和鋁都比鋰更便宜、更安全。然而，鎂離子和鋁離子在電池內(nèi)部難以移動(dòng)，這也是過(guò)去它們未曾被用于制造電池的原因。當(dāng)然，該問(wèn)題也是新型儲(chǔ)能材料所必須解決的難題。

    與流體電池同行

    除了用于電動(dòng)汽車(chē)，成功開(kāi)發(fā)新型電池有望建立電網(wǎng)級(jí)能源存儲(chǔ)方式，實(shí)現(xiàn)綠色儲(chǔ)能。如果能建立成本低廉的電網(wǎng)級(jí)能源存儲(chǔ)方式，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，它將能克服太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電的間歇性難題，引發(fā)風(fēng)能和太陽(yáng)能革命。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員目前正在開(kāi)發(fā)流體電池。

    傳統(tǒng)的電池是在兩根固定電極中儲(chǔ)存化學(xué)能的，而流體電池則將其儲(chǔ)存在浸入電極，即液體電解質(zhì)中。流體電池能夠被制成規(guī)模龐大的電池單元，適合使用液體化學(xué)物質(zhì)存儲(chǔ)大量電能，因此可利用它們來(lái)采集風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)能模件所產(chǎn)生的多余電力，并儲(chǔ)藏備用。流體電池是利用水基電解液，而水易于被分解的特性則限制了其發(fā)展?jié)摿Α拗屏肆黧w電池的工作電壓。利用有機(jī)電解液替代水基電解液將能克服這種缺陷，阿爾貢實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在朝著這個(gè)方向不懈地努力。

    一個(gè)以電池為驅(qū)動(dòng)力的世界，將實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)體系的部分電氣化（如交通運(yùn)輸業(yè)等），加快人類從使用昂貴的、污染環(huán)境的化石燃料逐步轉(zhuǎn)向陽(yáng)光等零成本燃料的進(jìn)程。正如每種革命的宣言一樣：新型電池所引發(fā)的將是一場(chǎng)無(wú)與倫比的革命。現(xiàn)在的問(wèn)題是：革命必將發(fā)生，抑或現(xiàn)有電池仍將占據(jù)主導(dǎo)地位？