电池面对五大挑战 硅和石墨烯成新的能源点金石

西媒称，从美国内华达州里诺市出发，车程大约半小时，一座奇特的建筑物呈现在眼前，下一个十年这里很有可能成为决定技术发展趋势的地方。它由两座在沙漠当中建造起来的厂组成，看上去和任何美国郊区的购物中心没什么差别，但表象永远是骗人的。2017年，这座耗资将近50亿美元的建筑将变成世界上最大的电池制造厂。2020年在达到全部产量时，每年可以出产50万块锂离子电池。

据西班牙某月刊五月号报道，这就是被称为Gigafactory1的特斯拉首个超级电池厂。电动汽车制造商特斯拉与日本松下公司合作，为解决困扰全世界的技术难题寻找解决方法。锂离子电池在问世25年后，虽然在性能上已经完善到极致，但也已经再无进步的可能。

报道称，在没有其他可行的商业选择的情况下，特斯拉公司唯一的出路就是新增电池的产量以满足电动汽车日益上升的市场需求，而且这有关降低设备成本也至关重要。未来特斯拉超级电池厂的产量将相当于2013年全球的电池产量。特斯拉因此可以向市场上推出迄今为止最为经济的电动汽车。

未来电池面对的五大挑战

成本。材料仅仅是关系到产品最终价格的其中一个因素。液态电解质的危险性对保存和包装的要求都非常高，运输成本因此会新增。最安全和稳定的电池将可以降低电动汽车的成本，对电网中可再生能源的工作也是一种补充。

安全性。虽然30多年来电池的效率和可靠性都有很大提高，但它依然是一种危险的设备，假如在充电和放电过程中没有适当的保护措施，电池仍然极易燃烧。

数量。电池制造的全球产量每年大约为35千兆瓦时。这一数字仍无法满足电子消费品和电动汽车制造商的需求。假如想实现汽车工业园的彻底转型，以及让锂离子电池在电网中占有更大份额，就要让产量翻番。

可回收。锂离子电池在经过成百上千次充电和放电过程后，性能上就会下降。锂离子电池可以回收，但这是一个昂贵的过程，而且要专业的劳动力。假如想减少锂离子电池对环境的危害，未来的锂离子电池开发就必须更多地关注回收这个环节。

性能。锂离子电池的能量密度很低，接近于每千克150-250瓦时。为了能真正取代燃料汽车，锂离子电池在存储能力上就必须提高。

能源是解决电动汽车成本的关键

报道称，最大的问题在于电池的存储能力。一块锂离子电池的重量能量密度大约为每千克160瓦时。目前市场上最先进的锂离子电池的能量密度可以达到每千克250瓦时，但价格不菲。作为电动汽车的驾驶者，假如想将来不再为了电池的续航能力而焦虑，就必须把电池的存储能力至少提高到每千克350瓦时。假如不行，唯一的选择就是多准备电池和新增汽车重量，或者提高电池充电的成本和时间。

锂依然是实现质的飞跃的最有诱惑力的材料。因此，各个实验室都在集中精力做三件事：提高电池正极材料技术；提高负极材料技术；获得更加有效的电解溶液，假如可以就使用固态电解质，以便提高电池的安全性和设备容量。

硅和石墨烯：新的能源点金石

有关电池正极材料，最有前途的要属用硅结构代替石墨。在充电过程中每克硅吸收的锂离子10倍于石墨材料，但问题是更大量的吸收就意味着更大量的扩散。斯坦福大学正在试验使用纳米硅结构，这种材料可以受控制的扩散，但是距离进入商业化阶段仍要继续多年研究。

另一种选择是用科学界一直在谈论的石墨烯代替石墨作为正极材料。这种堪称“奇迹”的材料由纯碳组成。由多层一个原子厚度组成的石墨烯正极吸收的离子量更大，因此在相同重量下可以制造出双倍的电池容量。但是，这种材料也依然存在一些今天的石墨电池同样有的难以解决的问题。碳有关充电过程而言并非一种理想材料。

负极材料的更新换代则取得了更好的成果。通过一些纳米材料，多个实验室都实现了更加有效地缩短离子在正负极极片之间流动的距离，从而提高充电速度。

电解质：液态到固态的跨步

但是未来电池最大的变革将是创造新的电解溶液。从液态向固态电解溶液的跨步将让电池变得更加安全。这样既可以大幅度地提高电池容量，还可以在更短时间内完成充电。一些公司已经开始生产这种固态电池，有的已经进入商业推广阶段。

巴黎的汽车租赁公司BlueIndy就供应采用固态电池的电动汽车租赁服务。固态电池的制造成本仍然昂贵，而且目前任何一种固态材料都无法证明在效率上能优于液态电池，而且某些固态材料还受到温度的限制。

最有发展前景的一个研究方向是陶瓷材料。马里兰大学已经研制出了高传导率的方法，可以制造出更加轻便和高效的电池。该大学工程学教授埃里克·瓦克斯曼指出，这种材料的电池更加安全，符合现今从燃料汽车向电动汽车过渡的市场要求。马里兰大学的研究项目已经吸引了包括美国航天局在内的很多机构。美国航天局认为能够解决未来空间任务中的能量储存问题。

容量更大、充电时间更短的电池将让交通运输和消费电子产品都经历革命，但其最大的影响则是在可再生能源领域。随着光伏和风力发电的成本日益降低，可再生能源利用在全球日益普及。

风力发电和太阳能板可以间断性地出现电力，在电力需求低时作为电网的补充。夜间通常是人们的用电高峰。在这样的时段，仍然必须依靠油气能源或核能作为重要能源的发电站供应的电力。能够高速充电和能量密度更高的电池可以弥补电力系统的缺陷，在白天储存电力供人们夜间使用。