紀(jì)秀磊

目前市場(chǎng)上最先進(jìn)的電池是鋰離子電池，未來(lái)的電池會(huì)是什么樣的呢？它們會(huì)有什么特點(diǎn)和功能呢？目前在這個(gè)領(lǐng)域有什么發(fā)展動(dòng)態(tài)呢？

未來(lái)的電池，我們希望它更小、更輕。充電時(shí)間更短。充電之后放電時(shí)間更長(zhǎng)，使用壽命更長(zhǎng)，最好是十幾年，甚至幾十年。

電池有多重的問(wèn)題

我們先來(lái)做幾道簡(jiǎn)單的算術(shù)題。我們知道，50 kg的汽油可以驅(qū)動(dòng)一輛輕型小汽車行駛約500 km。那么50 kg汽油充分燃燒，可以釋放多少熱能呢？已知汽油的質(zhì)量能量密度是12.7 kW·h，50 kg汽油完全燃燒所釋放的能量就是635 kW·h。內(nèi)燃機(jī)的效率通常在15%左右，那么50 kg汽油在內(nèi)燃機(jī)中燃燒之后，最后通過(guò)活塞做功輸出的驅(qū)動(dòng)汽車的能量約為95 kW·h。也就是說(shuō)，一輛輕型小汽車需要95 kW·h能量才能行駛500 km。如果用鋰離子電池來(lái)取代汽油和油箱。汽車要行駛500 km的話，需要的電池會(huì)有多重呢？目前用在純電動(dòng)汽車上的鋰離子電池的質(zhì)量能量密度約為0.1 kW·h。用95除以0.1得950 kg，結(jié)論就出來(lái)了：如果想用鋰離子電池驅(qū)動(dòng)車輛。需要約1 t重的電池才能行駛500 km。目前在北美汽車市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了幾款純電動(dòng)汽車，其中一款的電池重300 kg，這款車單次充電后可以跑160 km。這就是目前已經(jīng)商業(yè)化的電池科技的最高水平了。

因此，以目前的電池技術(shù)，電動(dòng)汽車是無(wú)法取代內(nèi)燃機(jī)汽車的，原因就是目前的電池還是不夠小，不夠輕。

電池的能量從哪里來(lái)

電池的能量是電池中的化學(xué)物質(zhì)通過(guò)間接進(jìn)行得失電子（也叫氧化還原）反應(yīng)釋放出來(lái)的，即經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)釋放出來(lái)的。每個(gè)電化學(xué)反應(yīng)釋放出的能量多少是不同的。在輸出能量一定的情況下，電池中需要的兩種反應(yīng)物的質(zhì)量加起來(lái)越小。則電池越輕；兩種反應(yīng)物的體積加起來(lái)越小，則電池越小。舉個(gè)極端的例子，釋放同樣的能量，核燃料只需要幾克，而煤炭則需要幾噸才可以。這就是能量密度的概念。我們需要使用能量密度更高的反應(yīng)，而且讓這些反應(yīng)在電池中可控地進(jìn)行來(lái)獲取電能，這是電池放電：而反應(yīng)進(jìn)行完之后，再通過(guò)充電的方式，把已經(jīng)反應(yīng)掉的化學(xué)物質(zhì)變回到反應(yīng)前的樣子（進(jìn)行可逆反應(yīng)），以便進(jìn)行下一次放電，這就是電池充電的化學(xué)本質(zhì)。

未來(lái)電池之鋰硫電池

那么，鋰離子電池在將來(lái)可能被哪些電池所取代呢？有幾種候選電池。鋰硫電池作為其中一種，在最近的兩三年，吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。這種電池使用鋰金屬和礦物硫作為電池的電極材料。在質(zhì)量能量密度上，鋰硫電池理論上能夠達(dá)到目前鋰離子電池的五倍以上。前面我們提過(guò)，驅(qū)動(dòng)汽車行駛500 km，需要1 t重的鋰子電池，而使用鋰硫電池，電池質(zhì)量則下降到200 kg了。如果將來(lái)在手機(jī)上使用這種電池，手機(jī)將比現(xiàn)在薄一半，待機(jī)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。另外，由于硫是一種很廉價(jià)的化學(xué)物質(zhì)。因此在電池材料的成本上也具有優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在不馬上生產(chǎn)這種電池，放到汽車、手機(jī)上的主要原因是這種電池在技術(shù)上還沒(méi)有完全達(dá)到我們的預(yù)期，包括電池的壽命仍然有待提高等。 責(zé)任編輯/蔡華杰