升级电池

　　从本质上看，改善电池储电能力就意味着必须吸附更多 的带电锂离子。在种种方案之中，使用易于生产的电极材料配合新型粘合剂，是一种最现实的选择。

　　文｜CBN记者 姚芳沁

　　制图｜金迪

　　“体积更小、容量更大”是我们对电池的一种终极梦想，但这两种要素在绝大多数时候都显得自相矛盾。

　　在现有的技术条件之下，电池容量与体积正在构成一种正比关系，体积越大，电力就越持久。

　　这是一件很难两全其美的事。目前在世界范围内，对电池蓄容能力的开发主要采取两种办法，一种是寻找更好的电极材料，另一种就是改变电池的加工工艺。而中国科学院化学研究所研究员郭玉国告诉《第一财经周刊》，前者的摸索已经接近了极限，后者需要付出的成本也过于昂贵，无法使产品实现规模化生产。郭玉国是中国硅酸盐学会固态离子学分会理事，也曾在德国马普协会纳米能源化学重大项目组担任项目研究员。

　　一个完整的充放电的过程，就是锂离子向电池两极移动的过程。充电，就是将锂离子送往充电电池的正极，当所有锂离子都到达正极、填满石墨烯材料之间的缝隙的时候，电池就充满了；相反，当锂离子的电力逐步失去，它们就会往负极移动，当所有锂离子都到达负极，电力也就耗尽了。

　　这就是为什么通常电池的体积越大、电力就越强的原因。因为有了更大的电池正极，就可以吸附更多的带电锂离子。

　　眼下常见的充电电池都是锂离子电池。每一块锂离子电池的正极，都被装上了石墨烯材料。更简单地说，这是一种碳层，用来吸附存储了电力的锂离子。

　　为了提高对锂离子的吸附能力，人们已经不止一次地在改善电极材料上做出尝试。

　　芝加哥西北大学的化学和生物工程系教授Harold Kung曾想出了一种办法，他把另一种可以吸附锂离子的材料—硅，夹在石墨烯中间。在试验中，硅可存储的锂离子数量比石墨材料要多10倍。

　　在充放电过程中，石墨烯和硅一起膨胀收缩，石墨烯可以保证硅的形状稳定，不至于破裂。这种办法真的使电池的储电量达到了原来的10倍。但它的缺点也很快暴露，Kung后来承认在充电150次之后，它的储电量和充电速度都会骤降，在产品耐用性方面远远达不到要求。

　　另外一家位于加利福尼亚的创业公司Amprius，正在试验一种可以弯曲、膨胀、四处移动的硅纳米线，将锂离子收纳其中。这种技术需要一种全新工艺，这种工艺此前并没有用于电池制造，成本也不菲。

　　不过美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科学家们，现在似乎找到了一种新方法。他们正在研究的一项技术，可以使电池的电力容量提高30%以上，并且可以更小、更耐久。更关键的一点是，这一技术可以在现有的制造工艺上实现，因而不会有过多的成本支出。

　　他们计划将用硅全面代替石墨烯，而不是将两者混合。有一点不能否认，那就是在所有被摸索出来的方案中，硅材料有着最佳的对带电锂离子的吸附能力。

　　然而在电池正极上使用硅，到现在也仍然是一个大难题。劳伦斯·伯克利实验室环境能源技术部的研究员刘高作的一个比喻是：石墨就像海绵，当它吸收锂离子之后，会保持形状；但硅却更像一个气球，在充放电的过程中会膨胀和收缩，一旦发生碎裂，就会完全失去导电性。

　　石墨烯毕竟不是粘合剂，它无法粘住那些可能发生破碎的硅颗粒，让它们一直保持高导电性，同时富有弹性。这正是Kung的计划失败的原因。

　　是的，粘合剂，刘高计划用它将电池正极上的硅材料“粘”在一起。在目前的电池制造工艺中，本就会在石墨颗粒表面涂抹一种粘合剂。使用粘合剂的理念，无需对现有制造工艺做出太大改动，对生产厂商而言不会造成额外的技术负担。

　　“利用硅和新型粘合剂的结合，的确是现有技术条件下，最有效的一个突破方向。” 郭玉国说。

　　这一计划的另一个关键角色是3M公司。刘高的小组目前正在与3M公司合作，测试一种新型的粘合剂。作为全球知名的化学材料公司，3M在粘合剂研究领域一直保持着领先地位。

　　刘高与一些理论化学家一起，在由3M提供的众多的聚合物中寻找具有电气性能的，一旦发现就想办法让它们变得更有粘性，这需要漫长而枯燥的测试。

　　目前实验小组已经测试了650个充电周期。他们已经测试出的一种粘合剂，用在其他材质的电池上，包括对锡制成的电池也同样有效。现在刘高已经拿到了这种粘合剂的专利。

　　3M公司还证实，旗下的工厂计划扩大“硅基电池材料”的生产规模，为未来新型电池的量产做准备。

　　这个“未来”可能不会太遥远。按照已经公布出来的数据，利用硅材料和粘合剂，新型电池可以达到的存储容量为每克1400毫安时，这意味着它在1小时内完全放电的电流将达到1300毫安，这一数字比传统阳极存储的300毫安高多了。

　　这是一个好消息，未来的电子产品或许不会再遭遇苹果公司“New iPad”的尴尬：出于对提高电池容量等多方面的考虑，New iPad将产品厚度从上一代的8.8毫米增加到了9.4毫米。但即便只有0.6毫米，一些用户也并不买账，认为这有违苹果新一代产品会更轻更薄的传统，并且影响使用。

　　如果新型电池能应用到纯电动汽车等更大型的设备上，会是另外一番情景。比如你可以开着电动车来一次长途旅行，而无需像现在这样极度依赖充电站。

　　你看，升级电池实际上也完全可以成为提升用户体验的一部分。

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