锂离子电池被开发至极致，寻觅下一个电池突破点？
假如你在智能手机上阅读这篇文章，这意味着你正拿着一颗“炸弹”。在防护屏下，锂（一种十分易挥发的金属，一旦与水接触就会被点燃）的化合物正在被分化，并在强壮的化学反应中从头构建，这种化学反应为现代国际供给了不可或缺的动力。
锂正被使用在手机、平板电脑、笔记本电脑以及智能手表中，并且存在于咱们的电子烟和电动轿车上。它身轻体软，且归于能量密集型物质，这使它成为便携式电子产品的完美动力之源。可是，跟着消费技能变得越来越强壮，锂离子电池技能却一向难以跟上脚步。现在，就在全国际都对锂上瘾之际，科学家们正争相从头创造为国际供给动力的电池。
巨大的发光屏幕、更快的处理速度、快速的数据衔接以及轻浮的规划时尚，这些都意味着许多智能手机的电量很难支撑运用一整天。有时分，手机用户甚至要多次充电。在运用两年后，很多设备的电池续航时刻都会急剧缩短，不得不被扔进垃圾堆。锂的巨大优势也是它最大的缺点。它是不安稳的，或许会爆破。锂离子笔记本电脑电池的能量与手榴弹相差无几。IonicMaterials创始人兼首席执行官迈克·齐默尔曼(MikeZimmerman)说：“口袋里有部智能手机就像口袋里揣着煤油相同。”
齐默尔曼在他坐落美国马萨诸塞州沃本（Woburn）的公司研讨试验室，亲眼目睹了这种焚烧效果。在一项试验中，一台机器经过电池组驱动钉子，电池组敏捷胀大，就像微波炉里的爆米花相同，然后发出亮堂的亮光。过去50年的电池研讨一向在功能和安全性之间走钢丝，即在不把锂面向极端的情况下，尽或许多地挤出能量。
咱们现在也在这样做。据预测，到2022年，全球的电池市场规模将达到250亿美元。但消费者以为，在一项又一项的查询中，电池续航时刻是智能手机最受关注的功用。跟着未来十年能耗更高的5G网络普及，问题只会越来越严峻。而对于那些能够处理问题的人来说，他们将会得到巨大的报答。
IonicMaterials公司仅仅数十家公司中的一员，它们正在进行从根本上从头思考电池问题的史诗比赛。不过，这场比赛被过错的初步、苦楚的诉讼以及失利的草创公司所困扰。但在经过十年的缓慢开展之后，期望仍在。国际各地的草创企业、大学和资金雄厚的国家试验室的科学家们，正在运用杂乱的工具寻觅新资料。他们好像即将大幅进步智能手机电池的能量密度和续航时刻，并创造更环保、更安全的设备，这些设备将在几秒钟内完结充电，并满足继续全天运用。
电池经过分化化学物质来发电。自从1799年意大利物理学家亚历山德罗·沃尔塔(AlessandroVolta)创造晰电池，用来处理关于青蛙的争论以来，每块电池都有相同的要害部件：两个金属电极——带负电的阳极和带正电的阴极，由被称为电解质的物质离隔。当电池衔接到电路时，阳极中的金属原子会发生化学反应。它们失去一个电子，变成带正电荷的离子，并经过电解质被吸引到正极。与此一起，电子（也带负电荷）则会流向阴极。可是它并没有经过电解质，而是经过电路在电池的外部传播，为它衔接的设备供电。
阳极上的金属原子终究会耗尽，此刻意味着电池耗尽电量。但在可充电电池中，能够经过充电来逆转这一进程，从而迫使离子和电子回到原位，准备再次发动循环之旅。纯金属制成的电极无法承受原子不断进出的压力而不发生坍缩，因此可充电电池有必要运用组合资料，使阳极和阴极经过重复的充电循环坚持形状。这种结构可被比作公寓建筑，其间有用于反应性元素的“房间”。可充电电池的功能在很大程度上取决于你能以多快的速度在这些房间里进出，而不会导致建筑物倒塌。
1977年，年青的英国科学家斯坦·惠廷汉姆(StanWhittingham)在新泽西州林登(Linden)的埃克森公司(Exxon)工厂工作，他缔造了一个阳极，用铝来构成“公寓街区的墙壁和地板”，用锂作为活性资料。当他给电池充电时，锂离子从阴极移动到阳极，在铝原子之间的空隙中沉淀。当放电时，他们向另一个方向移动，经过电解质回到阴极一侧的空间。
惠廷汉姆创造晰国际上第一个可充电的锂电池，这种硬币巨细的电池足以为太阳能手表供给动力。但当他企图添加电压（使更多离子进出）或企图制作更大的电池时，它们就会继续焚烧。1980年，在牛津大学工作的美国物理学家约翰·古德诺夫(JohnGoodenough)取得了突破。古德诺夫是一名基督徒，曾在第二次国际大战中担任美国陆军气象学家，他也是金属氧化物方面的专家。他置疑，与惠廷汉姆运用的铝化合物比较，肯定有某种物质能为锂供给更坚固的牢笼。
古德诺夫指导两名博士后研讨人员体系性地在周期表中摸索，用不同的金属氧化物对锂进行比对，看看在它们崩溃前能从其间抽出多少锂。终究，他们确认了锂和钴的混合物，后者是遍布非洲中部的蓝灰色金属。锂钴氧化物能够承受半数锂被拉出的极限。当它被用作阴极时，这代表了电池技能向前迈出了一大步。钴是一种更简便、廉价的资料，既适用于小型设备也适用于大型设备，并且大大优于市场上的其他资料。
如今，古德诺夫的阴极几乎出现在地球上的一切掌上设备中，但他并没有从中赚到一分钱。牛津大学拒绝申请专利，他自己也抛弃了这项权力。但它改变了或许发生的工作。1991年，经过10年的修修补补，索尼将古德诺夫的锂钴氧化物阴极与碳阳极结合在一同，企图改善其新型CCD-TR1摄像机的电池续航时刻。这是第一款用于消费产品的可充电锂离子电池，它改变了整个国际。
锂离子被开发至极致，寻觅下一个电池突破点？
吉恩·伯迪切夫斯基(GeneBerdichevsky)曾是特斯拉的第七名职工。当这家电动轿车公司于2003年成立时，电池能量密度稳步进步现已继续了十年，每年的进步起伏约为7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基发现锂离子电池的功能开端趋于平稳。在过去的七八年里，科学家们不得不竭尽全力去争夺哪怕是0.5%的电池功能进步。
其时的进步首要来自工程和制作业的改善。伯迪切夫斯基说:“在现代化学反应被运用27年后，它们不断承受提炼。”资料更加纯净，电池制作商现已能够经过使每层都变得更薄的方法将更活跃的资料装入相同的空间中。伯迪切夫斯基称之为“从罐子里吸出空气”。但这也有其自身风险。现代电池由极薄的阴极、电解质和阳极资料的交替层组成，与铜和铝电荷搜集器紧密地结合起来，将电子带出电池，送到需求的当地。
在许多高端电池中，塑料隔膜坐落阴极和阳极之间，用来防止它们接触和短路，其厚度仅为6微米（约为人类头发厚度的1/10），这使它们很容易受到揉捏危害。这便是特种公司的安全视频现在为何正告称，假如你的手机掉进了机械设备里，不要企图调整座位。
对锂离子电池的每一次改善，都需求权衡取舍。进步能量密度会下降安全性，引入快速充电或许下降电池的循环寿数，这意味着电池的功能下降得更快。锂离子的潜力正在挨近其理论极限。自从古德诺夫的突破以来，研讨人员一向在企图寻觅下一个飞跃，包含经过体系性地审视电池的四个首要组成部分——阴极、阳极、电解质和分离器，并运用越来越杂乱的工具。
克莱尔·格雷(ClareGrey)是古德诺夫在牛津大学的学生，他一向在研讨锂-空气电池，即用空气中的氧气充当另一个电极。从理论上讲，这些电池供给了巨大的能量密度，但要让它们可靠地充电，并且继续时刻超越几十个周期，在试验室里现已够困难的了，更不用说在现实国际肮脏而不可预知的空气中了。
虽然格雷宣称最近取得了突破，但由于上述问题，研讨集体的注意力首要转向了锂-硫电池。它为锂离子供给了更廉价、更强壮的替代品，但科学家们一向在尽力阻挠其在阴极上构成的树突（cathode），以及在阳极上的硫磺因重复充电而溶解。索尼宣称现已处理了这一问题，并期望到2020年将含有锂-硫电池的消费类电子产品面向市场。
在曼彻斯特大学，资料学家刘旭清(XuqingLiu)是那些企图从碳阳极中挤出更多能量的人之一，他将类似于石墨烯的二维资料结合起来，以便扩展外表积，从而添加锂原子的数量。刘旭清把它比作添加一本书的页数。这所大学还投资缔造干燥的试验室，这将使其研讨人员能够安全、轻松地交换不同的元件，以测验不同的电极和电解质的组合。
令人难以置信的是，即便古德诺夫自己也在研讨这个问题。去年，94岁的他宣布了一篇论文，描述了一种容量是现有锂离子电池三倍的电池。这受到广泛质疑。一位研讨人员说:“假如是古德诺夫之外的其他人宣布了这篇文章，我或许就要骂娘。”
可是，虽然有成千上万的论文宣布，数十亿美元的资金投入，数十家创业公司成立并供给资金支撑，自1991年以来，咱们大部分消费电子产品的根本化学功用几乎没有改变。在本钱、功能和消费性电子产品的便携性方面，还没有什么能够取代锂钴氧化物和碳的组合。iPhoneX的电池的原理几乎和索尼的第一台便携式摄像机相同。
因此，2008年，伯迪切夫斯基从特斯拉离开，开端专心于研讨新的电池化学反应。他对寻觅石墨阳极的替代品尤其感兴趣，他以为这是制作更好电池的最大障碍。伯迪切夫斯基说:“石墨的运用现已有六七年了，它现在根本上是用在电池的热力学容量上。”2011年，他与特斯拉的前同事亚历克斯·雅各布斯(AlexJacobs)、佐治亚理工学院资料学教授格莱布·尤辛（GlebYushin）共同创立了SilaNanotechnologies。他们在阿拉米达的湾区办公室有开放式布局，以雅达利游戏命名的会议室，还有充满熔炉和燃气管道的工业试验室。
在查询了一切或许的处理方案之后，三人从理论上确认硅是最有前途的资料。他们只需求让技能发挥作用。许多人在他们之前尝试过，但都以失利告终。不过，伯迪切夫斯基和他的同事们对他们的成功表示乐观。一个硅原子能够附着4个锂离子，这意味着与分量附近的石墨阳极比较，一个硅阳极能够贮存10倍的锂。这一潜力意味着，美国国家研讨院对硅阳极资料充满了兴趣，Amprius、Enovix和Envia等风投机构支撑的草创企业也是如此。
当锂离子在电池充电时附着在阳极上时，它会细微胀大，然后在运用时再次缩短。在重复的充电循环中，这种胀大和缩短破坏了固态电解质界面层，后者是一种维护物质，在阳极外表构成斑块。这种危害会发生副作用，耗费电池中的部分锂。伯迪切夫斯基说：“它被困在无用的垃圾里。”
跟着时刻的推移，这是智能手机开端快速损失储能的首要原因。石墨阳极胀大和缩短约7%，因此在功能开端急剧下滑之前，它能够完结大约1000个充放周期。这适当于一部智能手机继续两年、每天充电。但由于硅颗粒能吸附如此多的锂，它们在充电时胀大的起伏要大得多（高达400%）。大多数硅阳极经过几次充电循环后会发生断裂。在试验室的5年多时刻里，SilaNanotechnologies创造了一种纳米复合资料来处理胀大问题。
伯迪切夫斯基解说说，假如石墨阳极是个“公寓区”，那么一切的“房间”都是相同巨细，并且都紧紧地挤在一同。经过3万次迭代（不同的柱子和房间组合），他们构成了阳极，那里每层都有满足的空间让硅原子在获取锂时胀大。他说：“咱们把剩余的空间困在建筑内部。”这就处理了胀大问题，一起坚持阳极的外部尺寸和形状安稳。
伯迪切夫斯基表示，明年SilaNanotechnologies将向制作商供给的第一代资料，将使动力密度进步20%，并终究进步40%，一起也能进步安全性。他说：“硅能让你远离边缘，你能够空出1%或2%的空间，以真实大幅进步你的安全。”最重要的是，它也能够直接转换成现有的规划。跟着亚洲的电池出产商争相添加工厂产能，为电动轿车时代到来做准备，伯迪切夫斯基以为，任何与当时出产工艺不兼容的产品都或许被扫除在外。他说：“假如现在还不存在能够替代锂离子的技能，到上市的时分，它将迎来无数的用户群。”
锂离子电池被开发至极致，寻觅下一个电池突破点？
当电池充满电并放电时，锂离子在两个电极之间舞动，有时它们很难回来。相反，尤其是当电池充电太快时，它们会在电极的外面集合，逐渐构成树枝状的分支，就像洞穴顶部的钟乳石。终究，这些看起来像窗玻璃上结了霜的树突，能够经过电解质一路延伸，穿透隔膜，并经过触碰对面的电极发生短路。
跟着各层之间的距离越来越近，这种风险就会添加，犯错的或许性也会随之添加。正如三星去年发现的那样，犯错或许会造成危害，代价适当高昂。细小的制作缺点曾导致GalaxyNote7手机电池内部短路。在某些设备上，阳极和阴极终究彼此接触，这起灾难性的召回事件估计导致三星损失了34亿欧元。IonicMaterials公司的齐默尔曼解说道：“当这种情况发生时，电池会变得十分热，液体电解质会发生热逃逸，终究引发火灾和爆破。”
由于这种情况十分风险，实际上锂离子电池中没有那么多锂，仅为百分之二左右。但假如有一种办法能够安全地把纯金属锂从金属钴氧化物笼子里释放出来，就像惠廷汉姆在20世纪70年代尝试的那样，或许会带来添加十倍的能量密度。这被称为电池研讨的“圣杯”，齐默尔曼或许发现了它。
他以为电解质实际上是添加电池能量密度的最大障碍。人们现已逐渐不再运用浸在液体电解质中的物质，而是运用凝胶和聚合物，但它们通常仍然是易燃的，并且对阻挠快速的热逃逸进程毫无帮助。齐默尔曼自己供认，他不是一个“电池控”。他主修的专业是资料科学，尤其是聚合物，他在贝尔试验室和塔夫茨大学任教了14年，之后才开端创业。
21世纪初，齐默尔曼开端对可充电电池发生兴趣。其时，有些人在尽力从液态电解质转向固态电解质。资深储能科学家唐纳德·海格特（DonaldHighgate）解说说：“原则上，由于固态电解质电池更安全，你能够让它更尽力工作。同样的使用程序，你能够运用更小的电池。”但它们大多是陶瓷或玻璃制品，因此很脆，很难大规模出产。”
塑料现已在电池中被用于隔离器，即坐落电解质中间以阻挠电极接触的部分。齐默尔曼以为，假如他能找到适宜的资料，他就能够抛弃液体电解质和分离器，取而代之的是一层固体塑料，这层塑料是能够防火的，并且还能够防止在两层之间成长树突。经过IonicMaterials，齐默尔曼用一种全新的传导机制创造了一种聚合物，它模仿了电子穿过金属的方法。这是第一个能在室温下导电锂离子的固态聚合物。资料是灵活的，低本钱的，经得起各式各样的检测。
在一次试验中，他们把原资料送到了弹道学试验室，那里通常被用来测验防弹背心，并用9mm的子弹来射击它。两根电线将电池（扁平的银袋子）衔接到三星平板电脑上，后者的电源被小心移除。子弹击中后，电池就像火山相同炸开了。在慢镜头里，能够看到塑料和金属从火山口喷出，就像熔岩。但电池内部没有迸发，没有爆破或起火。每次磕碰，设备都坚持敞开状况。齐默尔曼说:“咱们一向以为聚合物会使它更安全，咱们从来没有指望电池还能继续工作。”
据齐默尔曼说，这种聚合物将推动锂金属的开展，并加快选用新的电池化学物质，如锂-硫或锂-空气。但长远的未来或许不仅仅锂。曼彻斯特大学的研讨员刘旭清表示:“这种改善不能与设备功能的改善速度相匹配，咱们需求一场革新。”
在牛津郡庞大的哈韦尔科学与立异园区，也便是约翰·古德诺夫(JohnGoodenough)签署协议宣布抛弃他在锂离子范畴取得重大突破专利的当地，史蒂芬·沃勒（StephenVoller）举着一块与饮料杯巨细和形状相似的碳纤维。沃勒是一位和蔼可亲的曼城球迷，年近50岁。在加盟首个浏览器品牌网景（Netscape）公司之前，他曾在IBM担任软件工程师。在公司被AOL收购后，沃勒对笔记本电脑电池续航时刻的约束越来越感到绝望，于是决定采取些措施。
沃勒的第一个主意是运用氢燃料电池来延长电池巡航时刻，但它的波动性证明是便携式电子产品无法克服的应战。他说:“让氢气经过机场安检是适当困难的。”然后，经过牛津大学的熟人，沃勒听说了一些令人兴奋的研讨，包含功能更像超级电容器的极快充电资料。当电池以化学方法贮存能量时，超级电容器却可将其置于电场中，就像气球上的静电搜集相同。
超级电容器的问题在于，它们不能像电池相同贮存那么多的能量，并且电量会很快走漏出去。假如你不经常运用，锂离子电池的放电可继续2周，而超级电容器只能坚持数小时。许多业内人士以为，将超级电容器与电池结合起来，或许对智能手机和其他耗电的消费科技产品有利。海格特表示，超级电容器能够被用来制作一、两分钟内就能充满电的混合手机，并且还能够作为备用的锂离子电池。他说:“假如你能够十分快速的充电，你能够把它放在感应圈上，在你拌和咖啡的时分充电。”
沃勒以为，他能够做得更好。2013年，他创立了ZapGo，该公司正在开发碳基电池，其充电速度与超级电容器相同快，但充电时刻与锂离子电池差不多。到2017年11月，该公司的职工已增至22人，分别在哈韦尔的卢瑟福德阿普尔顿试验室和北卡罗来纳州夏洛特的办公室工作。它的第一个消费电池将被用在今年年底推出的第三方产品上，包含用于轿车的助推起动设备，以及充电时刻从8小时缩短至5分钟的电动滑板车。
沃勒手里拿着的那块碳纤维是一块电池，运用了固态电解质，不会着火。两个电极是由薄层铝制成的，上面覆盖着纳米结构的碳，用来添加外表积。沃勒说：“你期望它看起来像喜马拉雅山。”虽然在显微镜下，它更像是城市天际线的轮廓。ZapGo技能的要害在于进步功率和减少漏电量，首要是经过保证电解液无缝地与上面的碳天际线相吻合，就像尼龙搭扣相同。
碳基电池的最大优势是长寿。由于ZapGo的电池存储更像气球，而不是传统的电池。正如沃勒所说“没有化学反应”，他宣称新电池能够继续10万个放电周期，这是锂离子电池的100倍。即便每天给手机充电，也能够运用30年。现在的第三代ZapGo电池还没有强壮到能够运行智能手机的地步，但由于运用的资料没有供给添加电压的障碍，沃勒预计这种电池将在2022年，也便是“iPhone15前后”投入使用。
这需求改变充电基础设施。许多爆破事件被归咎于廉价的第三方充电器，而这些充电器没有阻挠爆破所需的电子设备。对于ZapGo的电池，或许任何根据超级电容的体系，你需求一个充电器来做相反的工作——从电网中汲取和贮存能量，然后在短时刻内把它送到你的手机上。在试验室里，沃勒的团队现已制作出了笔记本电脑巨细的电源，但他们正在尽力使它变得更小、更高效。
包含戴森规划工程学院的萨姆·库珀(SamCooper)在内的许多人质疑，这些公司是否真的期望在产品中植入能继续运用如此之久的附件。库珀说：“手机公司有个清晰的利润激励，便是要在下次发布时让老款设备及时停产。为此，研发更好电池的比赛或许根本不存在。”沃勒供认，ZapGo持有的大约30项专利中，有一种办法可人为地下降电池的运用寿数，阻挠它们继续运用30年。他说：“咱们不会这么做，但假如客户乐意，咱们有能力供给给他们。”
与现有技能比较，碳基储能技能还有另一个首要优势。它实际上能够作为手机外部结构运用。沃勒并没有规划出适合当时手机规划的电池，而是在为柔性屏幕和可折叠设备的未来做准备。在5G网络下，咱们一切的数据都来自云端，电池续航时刻变得更加重要。
沃勒沿着他办公室狭隘的走廊走着，走到午后的阳光下，穿过DiamondLightSource的暗影，这是个巨大的环形建筑，看起来像是外星飞船降落在牛津郡的乡村。在内部，研讨人员正在使用加快光束在微观尺度上对潜在的电池资料进行研讨，探求为何锂-硫电池会失利，以及寻觅替代资料以获得阳极和阴极，这些问题现已困扰了这个范畴近30年。
沃勒在空中挥舞着他的智能手机，哀叹着锂离子电池的缺点，正是这些缺点促使他和其他数百人加入了这场高风险的比赛，以期从头创造这些绝好却又存在缺点的电池。他说:“咱们都有必要拟定策略来应对这种情况，不管是背夹式电池，还是带着两部手机，这都太疯狂了，工作不该该是那样的。”
