电池改变世界！三种实用且有前途的新型电池技术

随着科技发展的今天，我们对更好电池的需求也越来越大。

因为虽然设备的计算能力和设备的使用领域不断扩大，但电池的供电能力却几乎没有发生明显的变化。

近段时间，新闻媒体对各种新型电池技术突破的报道层出不穷，但这些新技术大多难以商业化；正如人们不断重复的那样：在实验室中发生的事情与为大规模生产找到具有成本效益的生产方法是另一回事。

但电池竞赛仍在继续：电动汽车制造商正在寻找更便宜、更轻、更强大、更耐用的电池。

电子设备制造商也在寻找更可靠、更耐用、充电速度更快的电池。

可穿戴和医疗植入设备制造商更倾向于更小、更耐用的电池技术。

可再生能源公司也在寻找能够稳定充放电数千次的电池技术。

在我们一直听说的新电池技术中，我们选择了三种最有实际前景的技术。

我们分析这些技术离实际应用还有多远，以及它们未来可能产生什么影响。

固态电池 让我们从一项避免锂离子电池危险的新兴技术开始。

这项技术称为固态电池技术，有多种形式。

要了解为什么这类电池更安全，我们可以先看看为什么锂电池有自燃的风险。

大多数传统锂电池都有两个电极（阳极和阴极），阴极和阳极之间是用于传导锂离子的液体电解质。

锂电池的主要问题是电解液非常易燃。

如果锂电池损坏或受到重击，电池可能会着火，并可能出现以下情况： 固态电池中没有液体电解质，它们使用的是一层其他材料，在电池之间传导离子并产生能量。

两个电极。

安全性只是固态电池技术的一方面。

由于固态电池中没有液体电解质，因此不需要额外的保护层，因此它们可以更轻、更小。

这对于汽车制造商来说是个好消息。

美国能源部能源高级研究计划局（ARPA-E）有多个固态电池开发项目，其中一些正在开发固态锂离子电池，还有一些正在开发固态电池其他材料。

固态电池研究领域的领导者是Sakti3公司，其首席执行官是AnnMarie Sastry。

《麻省理工学院技术评论》 的 Kevin Bullis 在一篇文章中描述了 Sakti3 和 Sastry 所做的工作。

公司目前的重点是如何实现固态锂电池的规模化生产。

文章写道：“她还在开发有助于大规模生产的制造技术。

“如果你的总体目标是改变人们的驾驶方式，那么你的标准就不能只是最佳的能量密度和更多的充电周期。

”她说，“首要目标是耐力，同时提供必要的表现。

“Sakti3的工作听起来令人兴奋，但该公司一直对其技术保密，因此电池中使用的电解质材料类型目前尚不清楚，当然，将大规模使用的材料类型将对它产生巨大影响但我们知道Sakti3已经获得了包括通用汽车在内的风险投资，该公司早在去年就声称其已经实现了目前锂离子电池公司QuantumScape的两倍能量密度。

安静，但有传言称该公司也在研究类似的技术，那么，我们还需要多长时间才能真正使用固态电池呢？大规模商业化。

电池技术的挑战不仅仅是电池所使用的电化学原理，真正的突破在于实现工厂大规模生产，并实现比传统电池更具成本效益的价格。

史蒂夫·莱文（Steve LeVine）的新书《The Powerhouse》深入探讨了电池创新商业化的过程。

他花了几年时间跟踪 Envia，一家电池初创公司，最终成为通用阴极供应商。

然而，在最终交付过程中，通用汽车发现Envia交付的电池不符合其声称的标准。

正如莱文解释的那样，当前电池技术最令人兴奋的事情并非如此。

电池，但制造工艺“令我兴奋的是看到可以突破制造成本限制的新电池技术的出现。

“他说，并指出美国能源部现在也关注生产工艺的创新，而不仅仅是电化学原理的创新。

“我认为这才是值得期待的。

”正在建设中的特斯拉超级工厂甚至埃隆·马斯克也在试图解决这个问题。

他正在建设的超级工厂试图将整个电池制造过程整合到同一家工厂中，这是一个巨大的赌注，但看起来特斯拉相信自己可以击败竞争对手。

请记住，这适用于并不是那么具有开创性的电池技术。

但这是一场关于规模经济的游戏——甚至马斯克也能负担得起。

有人批评这项技术在建成之前可能就已经过时了。

虽然锂是电池材料之王，但由于锂开采相对困难，而且电子释放性能还存在一些问题，因此也有其他尝试。

该材料性能更好。

近年来，一家名为 Phinergy 的以色列公司和其他竞争对手一直致力于开发一种根本不需要锂的电池技术：铝空气电池。

理论上，电池可以在几分钟内充满。

在这种新型电池中，一个电极是铝板，另一个电极是氧气。

准确地说是氧气和水电解质。

当氧气与铝板相互作用时，就会产生能量。

铝空气电池已经存在很长时间了，但近年来人们对这项技术的兴趣一直在增长。

2016 年，《电源杂志》上发表的一篇文章将该技术推向了人们的关注焦点，当时一组研究人员得出结论，铝空气电池是汽油的唯一替代品。

理论上，这种电池的容量可以达到锂离子电池的40倍，Phinergy声称他们可以利用这项技术将电动汽车的续驶里程提高到英里（约公里）。

那么，我们多久才能拥有这样的电池呢？这种能源产生形式存在固有缺陷。

当铝和氧气反应产生能量时，可用铝的量随着放电而减少。

此外，这种类型的电池只有一个电流流动方向：从阳极到阴极。

这意味着电池无法充电，因此当电池用完时，必须将其拆下回收并更换新电池。

这极大地限制了铝空气电池的大规模应用和推广。

但对于电动汽车来说，如果服务站的基础设施配置得好，那么这项技术是一个非常好的选择。

密歇根大学电池实验室的格雷格·莱斯 (Greg Less) 表示：“但在那之前，可充电电池（例如锂离子电池）是最佳选择。

”对于小型电子设备来说，铝空气电池显然是不可取的，因为它们意味着我们需要经常更换电池。

铝空气电池的研究仍在继续，多家公司声称将在未来几年内推出商用铝空气电池。

近日，一家名为FujiPigment的公司声称在铝空气电池方面取得了突破性进展。

该公司表示，它已经找到了一种使用绝缘材料来保护铝的方法，以便可以为铝空气电池充电。

即使这波铝空气电池最终失败，研究人员也将铝视为未来电池的基本材料之一。

这是目前非常热门的领域，在我撰写本文时，斯坦福大学的一个实验室宣布，它已经成功开发出一种使用铝和石墨烯以及安全液体电解质的新型电池。

研究团队表示，电池可在一分钟内充满电，即使被钻孔也能继续工作。

当然，这款电池还有很多工作要做。

微型电池 传统电池的另一个问题是它们的尺寸。

尽管我们设备中的每个组件都变得越来越小，但电池仍然一样大。

比如最新的苹果笔记本电脑的厚度基本上都是由电池来支撑的。

尽管设计中采用了超高效的分层结构，但电池仍然占用大量空间。

这个问题不仅仅发生在笔记本电脑上。

医疗植入设备还需要可以植入人体的小型电池。

航天应用设备也有严格的重量要求，即越轻越好。

此外，随着可穿戴设备的出现，电池变得越来越敏感。

越来越多的研究开始关注所谓的 3D 微电池。

那么2D和3D有什么区别呢？您可以将 2D 视为一个简单的平面，上面有两个电极，中间有一个电解质。

它们可能非常薄，但电池电量也相对较低。

相比之下，3D在微观层面上增加了电极的层数，以增加电极的表面积。

增加的表面积使离子更容易从一个电极移动到另一个电极，从而增加了电池的功率密度并提高了电池充电和放电的速率。

科学家们正在探索如何使这项技术变得实用。

今年，哈佛大学的一个团队使用3D打印技术和锂原材料制造出了极其精确的阴极和阳极。

不久前，来自伊利诺伊大学的团队发表了一篇论文，提到了一种利用全息光刻技术制造3D电池的方法。

在这项技术中，超精密光束用于创建 3D 结构，称为电极。

全息光刻比3D打印出现得更早，因此该技术更有机会实现规模化制造。

但是，与所有电池技术一样，电池功率密度和尺寸之间也需要权衡。

一项技术很难同时满足这两个要求，但这是研究人员正在努力做的事情。

如果他们的技术成功商业化，将会产生巨大的影响。

该团队带头人、伊利诺伊大学威廉·金教授告诉我们，目前这项技术面临的最大困难是如何实现商业化。

“我们正在努力将这种电池的能量密度提高两倍以上，我们将使用新的、更高能量密度的材料。

”他说，“关键挑战仍然是大规模生产，但我们一直在努力”电池内部到底发生了什么？为什么我们成功的实验技术很难大规模应用？很大程度上，是因为我们实际上并不知道电池内部发生了什么。

这听起来很简单，但却是一个巨大的挑战，甚至是电池创新的主要障碍：我们无法看到电池中分子水平上发生了什么。

因此，许多电池技术的开发和实施听起来像是一次意外。

当他们的发明者试图使用受控方法重现相同的效果时，他们遇到了麻烦。

为此，我们采访了专门研究电池内部现象的科学家迈克尔·托尼。

他现在在 SLAC 国家加速器实验室工作，领导一个团队试图揭开电池内部工作原理的秘密，开发大规模制造的工艺方法。

。

托尼和他的同事使用光谱成像和纳米级 X 射线来观察电池内部发生的情况。

托尼说，该团队的最终目标是在原子尺度上观察充电和放电过程。

但到目前为止，该团队只能通过化学过程观察结果。

最后，托尼表示，他们可能会开发一种软??件来帮助人们了解电池的工作原理，而不是像当前的电池测试软件那样仅仅依靠估计。

目前实验室正在开发的电池技术不只三种。

从生物电池到可变形电池，实验室里的科学家们正在尝试各种新方法。

最终，没有人能够对哪些技术会成功做出明确的预测。

但希望这些技术能够尽快商业化，帮助人类文明达到新的高度。