革新技術(shù)尚未出現(xiàn) 迫使電池技術(shù)故步自封

在2009年，蘋果在重新設(shè)計(jì)Macbook Pro時(shí)，通過(guò)采用一種新型電池，使其電池續(xù)航能力相較之前的模型增長(zhǎng)了40%。在更換新型電池后，該款筆記本電腦可持續(xù)工作7小時(shí)，足以看2遍電影《阿拉伯的勞倫斯》。“革命性的”電池，蘋果營(yíng)銷總監(jiān)菲爾·席勒(Phil Schiller)這樣贊譽(yù)它，但事實(shí)果真是如此嗎?

過(guò)去20年間發(fā)生的科技飛躍實(shí)在令人瞠目結(jié)舌。計(jì)算機(jī)已經(jīng)從功利主義的盒子轉(zhuǎn)變?yōu)橛?strong>金屬和玻璃組成的線條明朗的矩形，且小到能夠放在口袋里。現(xiàn)在的設(shè)備要強(qiáng)大得多，一款新型智能手表的計(jì)算能力比阿波羅登月飛船的都要強(qiáng)大。然而，電池是另外一回事。

即便消費(fèi)者電子產(chǎn)品制造商，從蘋果到三星，為了讓設(shè)備擁有更長(zhǎng)的電池壽命投資了上百萬(wàn)美元的科研資金，科技本身卻無(wú)法在未來(lái)幾年就發(fā)生翻天覆地的變化。但這并不會(huì)減緩高度依賴電池的小配件數(shù)量不斷上升的趨勢(shì)。

為什么電池技術(shù)停滯不前一直是研究人員討論的話題之一，很多人表示我們已經(jīng)到達(dá)科學(xué)的極限。無(wú)論真正的原因是什么，消費(fèi)者將需要竭盡全力高效利用需要電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備。

兩條進(jìn)化路線

為了理解具體的情況，我們必須考慮三個(gè)問(wèn)題：電池制造商的過(guò)去、現(xiàn)在以及未來(lái)面臨的挑戰(zhàn)。美國(guó)加州高級(jí)電池初創(chuàng)企業(yè)恩維亞公司的聯(lián)合創(chuàng)始人和業(yè)務(wù)開發(fā)主管邁克爾·辛庫(kù)拉(Michael Sinkula)發(fā)現(xiàn)1995年電池里存儲(chǔ)的能量一直未發(fā)生特別顯著的變化，直到十多年后2007年電池存儲(chǔ)的能量才翻了一倍。自那時(shí)起，電池能量的增加從未超過(guò)30%。恩維亞相信直到2021年大多數(shù)電池存儲(chǔ)的能量可能都不會(huì)翻倍。

然而，一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的手提電腦可以運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)10小時(shí)，這是為什么呢?一般來(lái)說(shuō)科技進(jìn)步源于兩個(gè)單獨(dú)的推動(dòng)力：不斷地縮小每一個(gè)零部件的大小和不斷改善管理所有部件的軟件。一臺(tái)電腦的大腦是它的微處理器，芯片可以為繪制圖片，或者輔助Facebook更新你好友的生日狀態(tài)進(jìn)行必要的復(fù)雜計(jì)算。在過(guò)去的幾十年，工業(yè)界一直在努力縮小處理器的體積。隨著它們變得越來(lái)越小，它們所消耗的能量越來(lái)越少，因此電池壽命越來(lái)越長(zhǎng)。

但電池另當(dāng)別論。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它們是金屬和化學(xué)物質(zhì)的集合。連通電池意味著會(huì)有電流經(jīng)過(guò)。而化學(xué)過(guò)程面臨的一個(gè)問(wèn)題便是做的越小并不意味著變得越好。你可以設(shè)想它為一瓶飲料：杯子里裝的啤酒越少，你能夠喝到的啤酒也就越少。

在此之前，主要的電池發(fā)展都源于使用了新材料。當(dāng)材料從鎳轉(zhuǎn)化為金屬鋰后，消費(fèi)性電子產(chǎn)品的電池壽命極大的延長(zhǎng)了。磷酸鋰鐵之父、現(xiàn)代電池發(fā)展的一名重要科學(xué)家約翰·古德伊夫(John Goodenough) 教授表示，現(xiàn)在的研究主要關(guān)注于改善鋰電池的壽命。“元素周期表非常有限，” 古德伊夫說(shuō)道，因此進(jìn)步和提升變得越來(lái)越困難。

與1979年古德伊夫宣布取得了突破性進(jìn)展使得現(xiàn)代電池變?yōu)榭赡艿臅r(shí)期相比，現(xiàn)在研究電池問(wèn)題的科學(xué)家數(shù)量明顯要更多，然而，可以試驗(yàn)和研究的新材料卻已經(jīng)匱乏。

智能手機(jī)能夠持續(xù)使用一周——而非只維持一天——所要求的是徹底革新的科技，而這樣的技術(shù)目前尚未出現(xiàn)。古德伊夫認(rèn)為“延長(zhǎng)電池壽命的下一個(gè)策略目前還是未知數(shù)。”

通往鋰電池的道路

現(xiàn)代電池追溯到18世紀(jì)，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們意外發(fā)現(xiàn)了一種處理靜電的方法——將金屬棒插入內(nèi)部裝滿鹽水、兩端涂有箔層的瓶子。用一只手接觸瓶子外部，而金屬棒接觸瓶子另一端，你就能體驗(yàn)觸電的感覺(jué)了。

在《電池：便攜式電源如何引發(fā)了一場(chǎng)技術(shù)革命》一書中，亨利·施萊辛格(Henry Schlesinger)描述了科學(xué)家們?nèi)绾窝芯窟@種名為萊頓瓶的設(shè)備。其中非常著名的發(fā)明家是詩(shī)人珀西·比希·雪萊( Percy Bysshe Shelley)。年輕時(shí)的雪萊在妹妹的幫助下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他還得到了妻子瑪麗·雪萊的啟發(fā)，后者在自己創(chuàng)作的小說(shuō)《弗蘭肯斯坦》里將電作為主要的情節(jié)設(shè)計(jì)。

就在小說(shuō)《弗蘭肯斯坦》出版后不久，安納塔西歐·伏特(Alessandro Volta)發(fā)明了第一個(gè)被廣泛使用的電池伏打電堆，就是在銅板和鋅板中間夾上用鹽水浸過(guò)的卡紙或布片，一層一層堆起來(lái)的蓄電池。

當(dāng)今的電池并未發(fā)生巨大的變化。切開電池內(nèi)部，你可以看見由金屬，例如鋰制成的一種材料，和另一種材料(一般是碳)。兩種材料之間是某種類似于伏特200年前使用的布片的物質(zhì)——由液體或者膠體包裹的塑料，目的是防止金屬發(fā)生相互作用，同時(shí)能夠讓原子自由移動(dòng)。

當(dāng)電池一端的金屬絲與另一端的相接觸，就產(chǎn)生了回路，電子會(huì)移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流，導(dǎo)致燈泡發(fā)光、立體聲音響發(fā)聲或者鎖上汽車車門。對(duì)現(xiàn)在的電子設(shè)備而言，最流行的可充電電池鋰離子電池已經(jīng)被廣泛使用了20多年。

市場(chǎng)快速增長(zhǎng)

電池是科技的命脈。 根據(jù)歐洲知名研究機(jī)構(gòu)法國(guó)Avicenne Energy的估計(jì)， 1990年，隨著鋰離子電池涌入市場(chǎng)，全世界對(duì)電池的需求高達(dá)200000萬(wàn)兆瓦時(shí)。這相當(dāng)于444億個(gè)勁量極限AA鋰電池，足以環(huán)繞地球57次。截止20年后，也就是2013年，這一需求已經(jīng)翻倍。

市場(chǎng)研究公司Lux Research預(yù)測(cè)截止2020年，僅用于驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的電池花費(fèi)將高達(dá)266億美元，比2014年大約增長(zhǎng)了30%。大多數(shù)需求來(lái)自智能手機(jī)和平板電腦，預(yù)計(jì)兩者在未來(lái)6年將增加45%。用于交通，例如汽車的電池花費(fèi)將翻倍，高達(dá)209億美元。

考慮到如此巨額的消費(fèi)，研究人員正在努力改善電池壽命。即便如此，可以物質(zhì)化的突破性進(jìn)展寥寥無(wú)幾。此外，幾乎所有的主要研究首先都關(guān)注于在汽車和電網(wǎng)方面的應(yīng)用。

科技巨頭，例如IBM，在加州圣何塞的阿爾馬登研究中心擁有一支專門研發(fā)電池技術(shù)的科學(xué)家小組。2009年，IBM投資了50萬(wàn)美金要求幾名研究人員開發(fā)Battery 500項(xiàng)目：旨在打造一塊可以支持汽車跑500英里的電池，這意味著一次充電汽車就可以從舊金山行駛到洛杉磯，中途還能繞到沙灘上休息一會(huì)。

這一項(xiàng)目的關(guān)鍵是所謂的鋰空氣電池(The lithium-air battery)，這種電池并不是依賴碳和其它金屬，而是以鋰離子為主，IBM和他的合作伙伴相信他們能夠創(chuàng)造一種充滿空氣的容器，后者能夠與鋰發(fā)生相互作用從而產(chǎn)生電流。如果他們是正確的，那么這種空氣電池的重量或可能減輕一半。

但其中存在一個(gè)問(wèn)題：為了實(shí)現(xiàn)能量的可持續(xù)和再充電過(guò)程，你必須獲得純凈的空氣，但我們現(xiàn)在呼吸的空氣充滿了污染物和水。“你需要機(jī)械裝置凈化空氣。” IBM電池項(xiàng)目負(fù)責(zé)人溫弗里德·維爾克(Winfried Wilcke)說(shuō)道。這意味著這將增加電池的大小、重量和復(fù)雜性。

其它的科學(xué)家，包括來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院和德克薩斯州大學(xué)的研究人員，都在考慮使用其它材料，例如硅、硫和鈉。然而很多相關(guān)的研究和開發(fā)都是針對(duì)汽車設(shè)計(jì)。將這種技術(shù)應(yīng)用于消費(fèi)性電子產(chǎn)品可能還需要再多等幾年。

有些消極的科學(xué)家描繪了一幅較為悲慘的前景，他們認(rèn)為我們已經(jīng)達(dá)到了電池能力的極限。而其他人，例如美國(guó)加州電池初創(chuàng)企業(yè)Imergy Power Systems首席執(zhí)行官比爾·沃特金斯(Bill Watkins)，則對(duì)電池的前景持樂(lè)觀態(tài)度。“從來(lái)都不要低估一群擁有足夠科研資金的博士們的能力。” 沃特金斯這樣說(shuō)道。