電池的未來在哪里

　　卡內(nèi)基梅隆大學提出的“技術(shù)成長曲線”告訴我們，諸多新技術(shù)想要與鋰離子電池競爭還有多遠的路要走。

　　每隔幾周我們都能看到爆炸性新聞，聲稱發(fā)現(xiàn)了電池技術(shù)的“圣杯”，將來我們可以運用該技術(shù)在幾分鐘內(nèi)給智能手機充滿電、開電動車行駛數(shù)百英里、開發(fā)廉價可靠的可再生能源存儲手段。

　　然而，這些“顛覆游戲規(guī)則”的電池似乎并沒有在頭條新聞之外的地方大顯身手。這是怎么回事呢？

　　卡耐基梅隆大學機械工程學院的助理教授Venkat Viswanathan提出了同樣的問題。在最近發(fā)表的論文中，他和他的同事提出了一個量化電池化學研究進展的“技術(shù)成長曲線（hype cycle）”。

　　這些研究人員統(tǒng)計新發(fā)表關(guān)于特定電池化學機制的技術(shù)論文，以確定該技術(shù)在“技術(shù)成長曲線”中的位置：從“創(chuàng)新出發(fā)點”、“期望膨脹頂峰”到最終的“穩(wěn)定生產(chǎn)期”。最后這一階段正是當前鋰電池所處的位置。

　　這個圖表展示了一些類型各異的電池技術(shù)。錳離子電池、鈉離子電池、鋰-硫電池的工作原理都與鋰離子電池在某種程度上類似，但它們在能量密度（決定了電池有多小，或多輕）和成本上有擊敗鋰離子電池的潛力。譬如，由于硫的價格低廉，相比于當今的鋰離子電池，鋰-硫電池有潛力大幅降低成本。然而目前的鋰-硫電池并不穩(wěn)定，易出現(xiàn)能效大幅下降和自放電。并且，當離子在電池中運動時，鋰-硫電池的電極可能膨大80%，如此一來就很難找到維持電池形態(tài)的材料。不過鋰-硫電池是最有前景的技術(shù)之一，其發(fā)展過程剛剛越過了Viswanathan及其學生所指出的“期望膨脹頂峰”。

　　鋰-空氣電池是除了鋰離子電池外唯一越過“泡沫破裂低谷”并走向“啟蒙上升期”的電池。鋰-空氣電池的儲能技術(shù)完全不同，擊敗鋰離子電池的潛力極大。這種電池的用金屬鋰做負極，在正極一端直接與空氣中的氧氣反應(yīng)。由于反應(yīng)物之一是空氣，理論上講，該電池儲存同樣能量所需材料僅為其他電池的一半，其重量也可減半。這一優(yōu)點尤其為電動車行業(yè)所關(guān)注，因為小體積電池組對電動車十分有利。然而，鋰-空氣電池想要在成本和使用壽命上比肩傳統(tǒng)的鋰離子電池、達到“穩(wěn)定生產(chǎn)期”，還有很長的路要走。

　　Viswanathan研究的價值在于幫助我們預(yù)測不同電池技術(shù)的發(fā)展階段。雖然創(chuàng)新技術(shù)如雨后春筍，在便攜式電子設(shè)備、電動車、電網(wǎng)設(shè)備等方面，鋰離子電池仍然是贏家。也許在數(shù)年內(nèi)，我們就能見證鋰-空氣電池超越鋰離子電池，電動車相對于汽油、柴油車的競爭力大幅提升。但是鋰-空氣電池仍處在“啟蒙上升期”，要達到鋰離子電池的水平還有很長的路要走，更不用說與化石燃料競爭。（作者簡介：Robert Fares 是美國得克薩斯大學奧斯汀分校的博士后，他的研究方向為新興能源技術(shù)的經(jīng)濟和環(huán)境影響。）