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誰能取代鋰電池？

小知識

當今的移動世界離不開鋰離子電池， 這是目前可充電電池的最佳選擇 。 去年， 消費者們購買了50億只鋰離子電池， 用來給筆記本電腦、照相機、手機和電動汽車供電 。 美國阿貢國家實驗室能源存儲聯合研究中心（JCESR）的負責人喬治·克拉布特里（George Crabtree）說， “這是有史以來最好的電池技術” 。 不過， 克拉布特里的目標遠不止于此 。
1991年， 索尼公司推出第一款商業版鋰離子電池， 與之相比， 如今鋰離子電池的能量密度（單位質量所存儲的能量）已經是原來的兩倍多， 而價格只有當初的1/10 。 不過， 鋰離子電池的能量密度已經接近極限 。 許多研究者認為， 對鋰離子電池的改進， 最多還能將能量密度再提高30% 。 這意味著， 鋰離子電池永遠不能像一油箱汽油那樣， 讓電動汽車連續行駛800千米， 也不能讓“電老虎”般的智能手機續航許多天 。
2012年， JCESR從美國能源部爭取到1.2億美元的資金， 用于研究超越鋰離子電池的技術,而亞洲、美洲和歐洲的許多研究團隊和公司都在尋找取代并超越鋰離子電池的新技術 。
【鋰–硫電池】
2013年初， 化學工程師埃爾頓·凱恩斯（Elton Cairns）認為， 自己研制出了一種新型化學電池， 只有硬幣大小 。 到2013年7月， 他的電池已在美國勞倫斯伯克利國家實驗室經歷了1 500次充放電循環， 而電池容量只損失了一半 。 這樣的性能， 基本可以媲美最好的鋰離子電池了 。 凱恩斯的電池基于鋰–硫（Li-S）技術， 所使用的材料價格非常低廉， 理論上的能量密度是鋰離子電池的5倍多 。
鋰–硫電池的主要優勢之一， 在于減掉了鋰離子電池的“無效體重” 。 在一塊典型的鋰離子電池中， 多層石墨電極占據了大量體積， 而這些電極基本上只是用來吸附鋰離子 。 這些鋰離子經由電解液， 流到多層金屬氧化物電極 。 和所有電池一樣， 電子必須通過外部電路流動， 來平衡正負電荷， 從而產生了電流 。 要想給電池充電， 則須通過外加電壓來反轉電子流動， 這同時也會讓鋰離子回到石墨電極上 。
【誰能取代鋰電池？】在鋰–硫電池中， 一塊純金屬鋰片代替了多層石墨電極 。 這塊鋰片既是電極， 也是鋰離子的來源 。 電池放電時， 鋰片變?。浑姵爻潆姇r， 它又恢復原狀 。 金屬氧化物電極也被更廉價、更輕的硫所取代 。 硫吸附鋰的能力更強， 每個硫原子可以結合兩個鋰原子， 而在鋰離子電池中， 結合一個鋰原子就需要不止一個金屬原子 。 所有這一切使得鋰–硫電池在成本和重量兩方面都具有明顯優勢 。
一些研究者質疑， 學術界的認同未必能轉換成商業上的成功 。 在實驗室， 研究人員通常使用少量硫和大量電解液， 這樣比較易于研究， 但不能制成高能量密度的電池 。 在PolyPlus公司（一家制造電池的公司， 位于凱恩斯實驗室以西5千米的地方）研究鋰–硫電池超過20年的史蒂夫·維斯科（Steve Visco）說， 增加硫和減少電解液會使電池更容易壞掉， 要想以低廉的成本制造出能經受住一年四季溫度考驗的商品化電池相當困難 。
至少有一家公司——英國Oxis能源公司——看好鋰–硫電池的前景 。 該公司聲稱， 它們已經制造出可以充放電900次的大型鋰–硫電池， 能量密度與當前的鋰離子電池不相上下 。 Oxis能源公司正在與美國Lotus工程公司合作， 他們希望在2016年前開發出可用于電動汽車的電池， 能量密度將達到400 Wh/kg 。
【鎂電池】
作為世界上最輕的金屬， 鋰擁有巨大的重量優勢 。 但一些研究者認為， 下一代電池應該使用更重的元素， 比如鎂 。 每個鋰離子只能攜帶一個電荷， 而二價的鎂離子能攜帶兩個電荷， 這意味著可以釋放的電能提高了一倍 。 不過， 鎂也有自己的問題 。 鋰離子能輕松通過電解液和電極， 而攜帶兩個電荷的鎂離子移動速度緩慢， 就像是在黏稠的糖漿中穿行 。

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