塑造更好的电池

塑造更好的电池

未来的电池必须能可持续的满足我们现代生活的各种需求

现阶段的电源正在我们生活的各个领域发挥重要作用，从一辆车到一个芯片，那么，科学家们要如何满足所有产品对于电能的需求？未来将要来到我们生活之中的产品又如何获得稳定的电力能源？将来的电池又怎么成为一项可持续发展的技术领域？

过去几个世纪，电能方面的研究主要是由实验燃烧能源的结果来推动和发展的，这些燃烧的能源推动了人类的发展，但是也让我们付出了一定的代价。大量的二氧化碳排放加速了气候的变化，使得环境恶化，为了我们的未来一代考虑，我们必须重新审视我们对于能源的利用，小到吃的烧烤，大到航天飞机和能源站。

如果一项新的能源经济要投入应用，那么一定要有该项能源的充足廉价供应才可以。运动产生的能量总是利用率很低，所以才需要蓄电池等电能储蓄设备，因为他们是潜在的可能解决这一问题的方案，这项技术可以存储从那些可持续的能源之中得到的能量。

由于电池这个概念原本就是很简单的，所以它的发展总是落后于其它电力技术就是有些让人奇怪的了。因此，它总是被当做最重，最不经济和最不环保的电力原件就是理所当然的了。正是优秀电池的稀缺，才导致1899年和1920年就产生的电力汽车和无线通讯技术发展缓慢，而导致电池发展缓慢的主要原因是缺乏好的电极好电解质，还有这两者之间电池表皮的难以掌握。

所有的电池都是由两个电极，以及它们之间的可以导电的金属材质

（称作电解质）组成，这两极拥有不同的化学电势，这是由它们之上发生的化学反应所导致的，当它们之间有外在导体连接时，电子便从负极流向正极。离子在两极间传播，维持着充电平衡。电能在外置电路上消耗。而在充电的时候，一个很大的反向电压可以迫使电子逆流，从而使电池进入充电状态。

一个电池中发生的化学反应决定了其两端的电压和容量，而电压和容量又决定了电能的传输速度，另一个重要的参数是激励系数，它是由电池中包含的化学物质和电池的设计原理决定的，当然前者才是主要的决定因素。成千上百的化学能电源在十九世纪和二十世纪之间诞生。

蓄电池存储的能量可以通过以下三种方法来实现最大利用：1在两端的电极之间放置大量的电解质；2将每个电子携带的能源反应最小化；3保证电解质不在电池内部的化学反应中被消耗完。这其中最后一条并不符合20世纪对于这个领域的研究结论，但是却符合进来的新型技术：镍氢充电电池和锂离子电池，这两种电池最为关键的共同点就是都拥有正离子（前者是氢离子，后者是锂离子），它们均位于两端的电极，并且频繁的来往于电极材料之间，伴随着累积效应和电子移除。镍氢电池主要用于给混合能源的汽车和价格低廉的电器提供电能。锂离子电池则用于高端的电气设备，并且可用于能源工具。与此同时，锂离子电池正在进入混合电能车市场，它大有成为未来电车主要能源的趋势。

至今为止，已有数亿的锂离子电池用以供应便携式电器的电能，但是

这样的生产并不是可持续的，因为钴这种材料必须从自然界提取，并且这有一定的安全隐患，金属的露天放置，和空气接触的话，很有可能发生泄漏事件，从而引发爆炸和火灾。电极材料的改进可能带来更加安全的化学反应，但是事故还是会发生，这是过度使用和单位容量填鸭式放置化学成分，从而导致内部短路的结果。所以，锂离子电池要是想满足自动化产品市场的需求的话，必须加强生产过程的监督管理。

锂离子电池还有一点需要改进，那就是实现对于碳元素的充分利用，现在世界对于碳元素的合理使用效率是每70kg的二氧化碳排放必须换来至少1KWH的电能，按照这个标准，锂离子电池只有在大约充120次电以后，它才能说实现了碳的充分利用。这里我们假设一个发电站的效率是35%，而用一个发电站去替代一个大约只把燃烧所得的能量的20%能有效利用的燃油引擎，不过我们还要进一步减小收支平衡的数字。

世界上每8亿辆汽车和卡车使用锂离子电池或是插入式的混合能源（由15千瓦时锂离子电池供能），就会用掉世界上已知锂元素储量的30%，但是研究表明还有更多的锂元素在我们还未知的一些海域，等待我们去开采。从海水中提取锂元素其实是一种非常环保和节能的方法，因为这样只需要耗费一定的太阳能即可，相对于从矿中开采而言。同时锂的紧缺也可以通过循环利用来解决，这在铅酸电池的使用中已经得到证明是可行的。以上所有问题均是锂离子电池通向未来世界主要能源之路上的障碍。

大多数改进锂离子电池的方案都是从宏观上出发的，但是现在改进锂离子电池的方案已经把重点放在微观角度上了，纳米材料在能量储存领域的应用进展缓慢，因为电极表面材质的有效增长将会导致电解质的加速解体。知道2000年我们才意识到这种化学反应可以通过给电极套上保护层以防止电解质收到不必要的氧化侵蚀以及电极材料的流失。纳米材料的问世给予了锂离子电池新的生机，并且使得现在看来还很遥远的大容量，低价格，强大电力和可持续使用的材质构成这些优点集于一身的完美电池成为可能。针对电极动力学问题可以通过切换到纳米材料caobon nano-painting相结合，在这种材料中单个颗粒被包裹上一层碳的“外衣”，从而使得这些携带有电子和离子微小颗粒（尺寸小带来的是电子传输的方便）的导电能力达到预期标准。锂离子电池在外界环境影响下具有伸缩效应，这可以使电池拥有一定的张力和适应性，电池容量也是可以变化的。上述特性决定了我们完全可以使用那些在同锂起反应时容量会变化的材质，比如说合金。但这样做也有缺陷，其中最关键的一点就是使用纳米材料的电极组装密度低下，这样就限制了单位体积的存储容量，因为电池的构成中由很大一部分的“惰性”组件，比如集电器，电解质等。

纳米材料的另一项优势就是可以通过改变化学反应种类来使制造大容量，可充电的电池成为普遍而容易的事情，其中一种化学反应就是过渡金属氧化物的转化,这种转化的最终产物是金属纳米颗粒Tm0，这个0说明了其金属种类。这种运动的缺陷是：就是能量利用率低下时充电和放点的巨大电压差。这个问题已经被三个领域的学者提出，

分别是金属化学，金属形态学以及电子观察学。同时，我们也在寻找能够经受高电压电子的转化的金属材料，这种材料将被用于制作阴极。不过，纳米材料对于我们细胞的影响还有待评估，当他们还是在转化反应中原地转悠的时候，造不成多大影响。

固体电介质将是纳米材料投入使用后的第一个受益者，“纳米载具”的出现使得基于化合物的电介质在60到80度高温下导电能力大幅提升，但是在室温下，这种优势就不复存在了。通过串起聚合物的主链，使局部线路在低温下的导电能力提升，同时我们还需要去发掘块状聚合物的优点。系统内部固有的阶段性分离带来了优秀的机械特性，但是在其两个子阶段中分离的几率也会提升。

也许我们现在离真正的聚合物电池还有一段距离，不过我们已经开始努力把电子溶液用于锂盐溶剂或者是塑化聚合物电介质。电子溶液具有很低的液压，不易着火，导电性好，毫无疑问会是未来电池的主流，不过这种电池能否变得更廉价，能否进一步提高纯度并保持低温下的导电性能还有待观察。

如今锂离子电池的组成部分，像LiCoO2和LiMnO4都不是从可循环使用能源中提取的，而是来自原油，更浪费的是，提取这些组成部分，和加工电极都会大大消耗我们越来越少的能源。那么，锂离子电池真的会成为那么消耗能源的产品吗？这是否会影响它在未来的制造前景？在未来的50年内，如果所有的汽车都成为电动车并且消耗这些稀少的物质，那么将来我们只能像现在看着“石油化石”一样，瞻仰那令人无语的价格了。我们也不可能在维持现有能源消耗的基础上再