“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(zhǎng)大以后，我們的高科技“玩具”變得愈加復(fù)雜而迷人。但驅(qū)動(dòng)它們的電池工作原理卻沒(méi)有改變。

    果真如此么？

    智能電網(wǎng)（Smart grids）、混合動(dòng)力車、可再生能源都是熱門環(huán)保技術(shù)，但在幕后，化學(xué)家和工程師們正致力于削減電池帶來(lái)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(xué)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(wèn)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(fù)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(yīng)用（比如數(shù)碼相機(jī)或便攜式游戲產(chǎn)品），據(jù)稱可以提供相當(dāng)于堿性電池兩倍的壽命。但在遙控器等低功耗應(yīng)用中，NiOx電池壽命與堿性電池相當(dāng)。

    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(guó)研究人員開(kāi)發(fā)，使用橄欖石型磷酸鋰鐵(LiFePO4)作為負(fù)極。索尼將新的負(fù)極材料與一種據(jù)說(shuō)可以最大限度減小電阻的專利微粒設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了3.3V輸出、1800W/kg功率密度的可充電電池設(shè)計(jì)，擁有長(zhǎng)使用壽命，在2000輪充/放電后仍保持80%初始容量。該電池?fù)碛锌焖俪潆娔芰Γ?0分鐘充至99%），并且在使用時(shí)維持穩(wěn)定的放電電壓。

    該電池已應(yīng)用于索尼公司的一些強(qiáng)力工具，并在實(shí)際應(yīng)用中獲得正面反饋。

    最早的LiFePO4技術(shù)專利由得克薩斯大學(xué)的John Goodenough及其團(tuán)隊(duì)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(wèn)題的方案被設(shè)計(jì)出來(lái)。

    LiFePO4是一種高穩(wěn)定性材料，科學(xué)家相信它可以被用于無(wú)數(shù)消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，從手機(jī)和游戲產(chǎn)品的可充電電池到電動(dòng)汽車等大型應(yīng)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(lái)更好的放電過(guò)程。因此該材料的循環(huán)壽命極長(zhǎng)，LiFePO4也顯示出極佳的存儲(chǔ)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(huì)裂化甚至爆炸。

    LiFePO4的快速充電、長(zhǎng)壽命特性明顯有助于環(huán)境保護(hù)。電動(dòng)汽車采用LiFePO4電池也會(huì)獲得更長(zhǎng)的充電后行駛距離，希望推出產(chǎn)品與Volt競(jìng)爭(zhēng)的汽車廠商可能會(huì)感興趣。

    另一項(xiàng)前途無(wú)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(chǔ)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(guò)鋼正極表面所覆蓋硅線的收縮/擴(kuò)張輸出電能。充電過(guò)程中，硅線吸收充電后的鋰原子，發(fā)生擴(kuò)張；放電過(guò)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(kuò)張至正常體積四倍，沒(méi)有損傷

    傳統(tǒng)、簡(jiǎn)單的硅正極研究始于三十多年前。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家決定放棄硅，因?yàn)檫@種材料在鼓起吸收鋰時(shí)容易分裂、受損，致使正極容量太弱，不足以支持進(jìn)一步研究。

    斯坦福大學(xué)的研究人員判斷問(wèn)題源于當(dāng)時(shí)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(shù)形納米線。納米線吸收鋰后體積擴(kuò)張至正常狀態(tài)下的四倍，但硅正極不會(huì)斷裂或損傷。

    納米線電池研究人員正在尋找一種適當(dāng)?shù)呢?fù)極材料，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(chǔ)密度方面的突出進(jìn)步。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程助理教授Yi Cui正領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開(kāi)拓此項(xiàng)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(shí)現(xiàn)全面商業(yè)化。

    以上幾項(xiàng)技術(shù)僅僅是開(kāi)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(guò)玩具自身壽命這一天的到來(lái)。■