谁主沉浮：超级电池研发持续高烧

创造一种足以强大到一次充电就可让电动汽车跑上300英里（约合483公里）的电池会带来极高的经济利益。当前谁在冲刺？日本、韩国、中国还是美国？

美国媒体近日称，世界上并没有太多的发明可以带来非常大的益处，同时帮助制造者在这一过程中暴富。但是美国某知名网站记者表示，一种超级电池将改进锂离子电池，从而让电动汽车成为主流，而它就属于上述这种发明。将其引入市场的人可能会获得高达3000亿美元的收益，而我们将乘坐全电动的车辆行驶在公路上，逐步呼吸到污染减轻的空气。

在《发电站》一书中，莱文追踪了两条叙事线：阿尔贡国家实验室（莱文称该机构的科学家是世界上的“电池天才”）的电池项目和像恩威系统公司（首家获准使用阿尔贡材料的公司）这样的硅谷初创企业。这两个机构的研究人员在竞相打造一种足以确保合同和数十亿美元的首次公开募股的产品。

自索尼公司1991年推出商业化的锂离子电池，丰田公司在1996年推出节能环保汽车普锐斯以来，电池创新一直乏善可陈。美国总统奥巴马和中国一位高官都曾公开承诺，2015年将让100万辆电动汽车上路。尽管中国2014年的电动汽车销量猛增，但是这两个国家今年都无法完成这一目标，不过从长远来看，双方仍然会致力于实现这个目标。

莱文指出，重要的是要记住，无论是电动汽车还是超级电池都不是既成事实。他说：“不要因为我们想要它们，而且获益如此之大，就意味着它们将会成为现实。”要想收获红利，这场竞争中的所有利益攸关者都需要重新思考他们的假设。对于阿尔贡的电池项目主管杰夫·张伯伦和他的同事们来说，这意味着承认他们需要一个新的路线图，以便从“原子层面理解（电池的）科学”，并且从那里着手。

莱文认为，对于商业界和政府人士来说，重新思考这些事情意味着，整理出一种参与的格式，“抛弃我们对违反自由市场理念的敏感性，提出一个涉及行业和发明家的知识共享模式”。有行业预测说，从现在起的25年里，电动汽车、燃料电池汽车、天然气汽车和混合动力汽车仅会占市场5%的份额。莱文认为这种预测十分“鲁莽”。他说，页岩油和天然气就是两个改变游戏规则的例子，而当初没有人预测得到。

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如果一辆电动汽车只需花8分钟充一次电就能行驶上千公里，人们还需要排放尾气污染的传统汽车吗？目前电动汽车离这个目标还差得很远，但如果一种被称为“超级电池”的石墨烯聚合材料电池实现量产，这个目标或许可以达到。

市面上在售的电动汽车中，即使性能最强悍的特斯拉ModelS，其高配版能实现的最大续航里程也只有502公里，约是传统汽车的一半。而国内一些相对便宜的小型电动汽车，多数续航里程还只停留在300公里以下的水平。再加上充电时间过长，很难不让车主患上“里程焦虑症”。

这些电动汽车多数以锂电池为动力，主要是钴酸锂电池、磷酸铁锂电池和锰酸锂电池三种。钴酸锂电池能量密度最高，但高温下最不稳定，其他两种能量密度不高。这些缺陷严重影响了电动汽车的续航和充电性能。因此业界一直期盼“超级电池”的出现来改变这种窘迫的现状。

石墨烯或许能提供一个可行的答案。2004年才诞生的石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，仅有一个碳原子厚，并且具有优异的性能。作为电导体，它和铜具有同样出色的导电性，作为热导体，它比目前任何其他材料的导热效果都好。

如果使用这种材料制作电池，理论上电池重量能比传统锂离子电池减半，厚度也会大幅缩小，储电量高出数倍，并且按照美国伦斯勒理工学院研究人员估算，石墨烯阳极材料比锂离子电池中常用的石墨阳极充放电速度要快10倍。

西班牙这方面的技术发展目前处于比较领先的地位，当地已有多家创业公司致力于相关研发。不久前媒体关注的一则消息称，西班牙一家企业与当地大学合作开发出新型石墨烯电池，如用于电动汽车，只需8分钟就能完成一次充电，续航里程可达1000公里。

石墨烯聚合材料电池这么好，是否意味着烧油的汽车就要被“超级电池”汽车淘汰？这倒是未必。

电动汽车要想真正取代传统汽车，除充电基础设施建设，电池的生产成本也需要大幅降低。石墨烯已被各大工业国列为重要材料进行深度开发，但相关生产技术直到2010年才相对成熟，至今还处在比较初级的应用阶段。尤其是能让电池体积和重量大幅缩小的单层石墨烯材料，其成品率很低，生产成本则偏高。

此外，像特斯拉这样的电动汽车领导厂商已投巨资建设锂电池工厂，因此短期内很难再投资开发一种全新电池。或许更现实的做法是利用石墨烯的特性提升现有锂电池性能。有市场传闻说，特斯拉准备推出的轿跑很可能使用石墨烯技术来强化锂电池的性能。

另一方面，目前全球在电池领域的研发不仅限于石墨烯，比如日本就在研发利用镁生产性能更高、成本更低的蓄电池；瑞典有机构正研究利用碳纤维来提高锂电池的性能。但这些新技术还需要多年才可能真正实用化。

电动汽车确实为人们出行提供了更多选择，但总体上，电动汽车还远未到取代传统汽车的地步。电动汽车的购置成本相对传统汽车没有任何优势，唯一的竞争力就是充电成本比加油低，但如果油价一直维持在低位，加上充电站覆盖的区域与加油站相比实在少得可怜，就难以打动大部分消费者。所以，迄今传统汽车的销量并未受太大影响。

对电动汽车行业来说，除电池的技术革新，还要尽快统一充电标准，并推动充电桩的大规模建设，只有这样才能打消用惯传统汽车的消费者对电动汽车挥之不去的疑虑。

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西媒称，移动技术专家正致力于研发更耐用，充电时间更短的超级电池。

西班牙《趣味》月刊2014年11月号的文章说，能量，无所不在：车载卫星定位仪、智能手机……一切改变了人际关系的移动设备都取决于电池是否更加耐用，以及是否能更有效地分配能量。要想做到这一点其实很难。事实上电池恰恰是这些高科技产品的致命弱点。近年来电池的续航能力已经大大提高，但依然满足不了各种便携式设备的需求。联想P780智能手机一次充电可保证持续使用43小时，一次通话所用的电量少于上网浏览或看一部电影所用的电量，但这样的电池性能依然不够完美。

美国阿尔贡国家实验室的一项研究显示，现在的一块锂电池所提供的电量已经是1991年时的一块锂电池的1倍。但问题在于这样一块锂电池的功率很大程度上却取决于它的大小。从根本上说，以当前技术而言，更强的电池性能通常意味着更厚、更沉，甚至外形也和普通的不一样。尽管如此，很多研究人员仍然坚信我们正在接近极限。

是不是注定了我们必须在美观与续航能力之间作选择？我们是不是必须无时不刻都带着充电器？一些移动设备专家认为，不出几年移动设备的电池设计方面就会出现质的飞跃，石墨烯的采用或锂空气电池的研发将让现在的移动设备的性能提高数倍。

另一些人则质疑，这些进步与当前掌握的技术之间还距离甚远。美国伯克利劳伦斯国家实验所的化学工程师埃尔顿·凯恩斯设计的电池仅有一枚硬币大小，采用的是锂、硫磺和氧化石墨烯等易获取的材料，储存的电量是传统电池的2到5倍。此外，凯恩斯和他领导的研发团队在进行了1500次的充放电试验后证实，这种电池仅仅丧失了不到一半的储电能力，这是目前最好的锂电池才能达到的水平。

美国橡树岭国家实验室梁诚笃（音）研究员也利用了硫替代传统电池采用的液态电解质。液态电解质会通过溶解多硫化物从而帮助锂离子在电池中传导，但使用寿命短。新的设计方法首先合成出一种富含硫的新物质，并将其作为电池的阴极，随后再将其同由锂制成的阳极和固态电解质结合在一起，便制造出这种能量密度较大的全固态电池。固态电解质不仅消除了硫溶解的问题，还避免了与锂金属接触，所以安全性更高。新的固态电解质电池的能量密度是锂离子电池的4倍。

麻省理工学院的化学物理学家阿马多尔·梅嫩德斯·贝拉斯克斯选择的是另一种办法。2012年他展示了采用荧光分子材料制成的电池，将荧光分子安装在电子设备的屏幕上，使其能捕捉光辐射，再将其散发出去。这项刊登于英国知名杂志上的科研成果指出，利用这一技术可以充分采用环境光为移动设备提供能量。

梅嫩德斯指出，如果采用太阳能，移动设备就可以实现自我充电，一次充电的续航能力也会大大提升。更好的是，这一发明还能有利于能量循环回收，这也能提升电池的使用寿命。这是一个非常有必要考虑的问题，因为移动设备仅屏幕就会耗掉将近90%的电量。

虽然提升电池的续航能力，或减小耗能似乎是一个非常好的切入点，但这个问题其实还可能从另外的角度来解决，比如缩短充电时间。在这方面，碳纳米管发挥着决定作用。从几年前开始技术界就在研究采用碳纳米材料的可能性。碳纳米管的耐用性是最好的钢材料的数百倍，重量更轻，而且还能缩短充电时间。

加州大学河滨分校的一组科研人员开发出了一种新架构的硅阳极，应用在锂电池中可以使充电过程快16倍。新的设计构建于3D结构的锥形碳纳米管材料上。可以使电池比原来轻40%，却能携带比原来多60%的电量，一次充电时间只需要大约10分钟。

在缩短充电时间问题上，以色列的StoreDot科技公司更胜一筹。在微软ThinkNext大会上，这家在特拉维夫大学纳米科技研究中心的基础上新创办起来的公司的负责人展示了他们新研发的充电技术。使用这个充电器，一部即将因电量不足关机的三星GALAXYS4手机充满电的时间只需要30秒。这一充电设备采用的是由肽分子组成的生物半导体材料。研究人员将这些纳米级的晶体加入到一种特殊的作为电解质的溶液中。

试验似乎已经证实了这一新技术能够制造出更强大的电池，并缩小体积。公司创始人多龙·迈尔斯多夫认为，这一技术进步将推动移动设备行业真正的革命。如果这一技术能被采用，预计超级充电设备将在2016年进入批量生产。

可以肯定的是，未来几年电池市场将不再是锂电独霸天下。从锂这种金属中可以获得锂盐作为电解质。全世界锂的储量大约为4000万吨，但通常锂盐浓度较低。据美国国家地理协会估算，全球仅有约1300万到1800万吨的锂可以商用。

全球最主要的锂储量位于玻利维亚、阿根廷和智利之间形成的三角地带，而且南美洲还有大量未探明储量。在北美、非洲和亚洲地区也发现了锂矿。2010年阿富汗宣布发现了一个巨大的锂矿。

但是这些远远不够。随着电动汽车和各种电子设备的大量应用，全球对锂矿的需求也将大大增加。瑞士信贷银行的报告预计，全球锂需求量正在以每年12%的速度上涨。一些专家认为几十年内锂矿就会出现匮乏。但是现在，世界正在变得越来越智能和移动化。美国从事全球市场调研的卢辛特尔咨询公司的另一项研究报告指出，2018年电池产业将成为一个规模达到860亿美元的巨大的全球市场。

让电池用得更久的小建议：

·不要总是等到耗光所有电量再充电，也不要永远充满电，这反而会缩短电池的使用寿命。电池的使用寿命通常为3到5年。

·避免移动设备过热，过热会降低电池的续航能力。

·如果移动设备一段时间内闲置，最好总是保持一半的电量。完全关机或电池电量为零有可能导致它永远不再工作。

·使用合适的充电设备。最理想的就是使用电压和电流强度都与原始设备相同的充电器。