巨大的發(fā)光屏幕、更快的處理速度、快速的數(shù)據(jù)連接以及輕薄的設(shè)計(jì)時(shí)尚，這些都意味著許多智能手機(jī)的電量很難支持使用一整天。有時(shí)候，手機(jī)用戶甚至要多次充電。在使用兩年后，很多設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間都會(huì)急劇縮短，不得不被扔進(jìn)垃圾堆。鋰的巨大優(yōu)勢(shì)也是它最大的弱點(diǎn)。它是不穩(wěn)定的，可能會(huì)爆炸。鋰離子筆記本電腦電池的能量與手榴彈相差無(wú)幾。Ionic Materials創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官邁克·齊默爾曼(Mike Zimmerman)說：“口袋里有部智能手機(jī)就像口袋里揣著煤油一樣。”

 

 

齊默爾曼在他位于美國(guó)馬薩諸塞州沃本（Woburn）的公司研究實(shí)驗(yàn)室，親眼目睹了這種燃燒效果。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，一臺(tái)機(jī)器通過電池組驅(qū)動(dòng)釘子，電池組迅速膨脹，就像微波爐里的爆米花一樣，然后發(fā)出明亮的閃光。過去50年的電池研究始終在性能和安全性之間走鋼絲，即在不把鋰推向極端的情況下，盡可能多地?cái)D出能量。

 

我們現(xiàn)在也在這樣做。據(jù)預(yù)測(cè)，到2022年，全球的電池市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到250億美元。但消費(fèi)者認(rèn)為，在一項(xiàng)又一項(xiàng)的調(diào)查中，電池續(xù)航時(shí)間是智能手機(jī)最受關(guān)注的功能。隨著未來十年能耗更高的5G網(wǎng)絡(luò)普及，問題只會(huì)越來越嚴(yán)重。而對(duì)于那些能夠解決問題的人來說，他們將會(huì)得到巨大的回報(bào)。

 

Ionic Materials公司只是數(shù)十家公司中的一員，它們正在進(jìn)行從根本上重新思考電池問題的史詩(shī)競(jìng)賽。不過，這場(chǎng)競(jìng)賽被錯(cuò)誤的開端、痛苦的訴訟以及失敗的初創(chuàng)公司所困擾。但在經(jīng)過十年的緩慢發(fā)展之后，希望仍在。世界各地的初創(chuàng)企業(yè)、大學(xué)和資金雄厚的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們，正在使用復(fù)雜的工具尋找新材料。他們似乎即將大幅提高智能手機(jī)電池的能量密度和續(xù)航時(shí)間，并創(chuàng)造更環(huán)保、更安全的設(shè)備，這些設(shè)備將在幾秒鐘內(nèi)完成充電，并足夠持續(xù)全天使用。

 

電池通過分解化學(xué)物質(zhì)來發(fā)電。自從1799年意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)發(fā)明了電池，用來解決關(guān)于青蛙的爭(zhēng)論以來，每塊電池都有相同的關(guān)鍵部件：兩個(gè)金屬電極——帶負(fù)電的陽(yáng)極和帶正電的陰極，由被稱為電解質(zhì)的物質(zhì)隔開。當(dāng)電池連接到電路時(shí)，陽(yáng)極中的金屬原子會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它們失去一個(gè)電子，變成帶正電荷的離子，并通過電解質(zhì)被吸引到正極。與此同時(shí)，電子（也帶負(fù)電荷）則會(huì)流向陰極。但是它并沒有通過電解質(zhì)，而是通過電路在電池的外部傳播，為它連接的設(shè)備供電。

 

陽(yáng)極上的金屬原子最終會(huì)耗盡，此時(shí)意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，可以通過充電來逆轉(zhuǎn)這一過程，從而迫使離子和電子回到原位，準(zhǔn)備再次啟動(dòng)循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無(wú)法承受原子不斷進(jìn)出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池必須使用組合材料，使陽(yáng)極和陰極通過重復(fù)的充電循環(huán)保持形狀。這種結(jié)構(gòu)可被比作公寓建筑，其中有用于反應(yīng)性元素的“房間”?？沙潆婋姵氐男阅茉诤艽蟪潭壬先Q于你能以多快的速度在這些房間里進(jìn)出，而不會(huì)導(dǎo)致建筑物倒塌。

 

1977年，年輕的英國(guó)科學(xué)家斯坦·惠廷漢姆(Stan Whittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他建造了一個(gè)陽(yáng)極，用鋁來形成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性材料。當(dāng)他給電池充電時(shí)，鋰離子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當(dāng)放電時(shí)，他們向另一個(gè)方向移動(dòng)，通過電解質(zhì)回到陰極一側(cè)的空間。

 

惠廷漢姆發(fā)明了世界上第一個(gè)可充電的鋰電池，這種硬幣大小的電池足以為太陽(yáng)能手表提供動(dòng)力。但當(dāng)他試圖增加電壓（使更多離子進(jìn)出）或試圖制造更大的電池時(shí)，它們就會(huì)繼續(xù)燃燒。1980年，在牛津大學(xué)工作的美國(guó)物理學(xué)家約翰·古德諾夫(John Goodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次世界大戰(zhàn)中擔(dān)任美國(guó)陸軍氣象學(xué)家，他也是金屬氧化物方面的專家。他懷疑，與惠廷漢姆使用的鋁化合物相比，肯定有某種物質(zhì)能為鋰提供更堅(jiān)固的牢籠。

 

古德諾夫指導(dǎo)兩名博士后研究人員系統(tǒng)性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對(duì)鋰進(jìn)行比對(duì)，看看在它們崩潰前能從其中抽出多少鋰。最終，他們確定了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍(lán)灰色金屬。鋰鈷氧化物可以承受半數(shù)鋰被拉出的極限。當(dāng)它被用作陰極時(shí)，這代表了電池技術(shù)向前邁出了一大步。鈷是一種更輕便、廉價(jià)的材料，既適用于小型設(shè)備也適用于大型設(shè)備，而且大大優(yōu)于市場(chǎng)上的其他材料。

 

如今，古德諾夫的陰極幾乎出現(xiàn)在地球上的所有掌上設(shè)備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學(xué)拒絕申請(qǐng)專利，他本人也放棄了這項(xiàng)權(quán)利。但它改變了可能發(fā)生的事情。1991年，經(jīng)過10年的修修補(bǔ)補(bǔ)，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽(yáng)極結(jié)合在一起，試圖改善其新型CCD-TR1攝像機(jī)的電池續(xù)航時(shí)間。這是第一款用于消費(fèi)產(chǎn)品的可充電鋰離子電池，它改變了整個(gè)世界。

 

吉恩·伯迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)曾是特斯拉的第七名員工。當(dāng)這家電動(dòng)汽車公司于2003年成立時(shí)，電池能量密度穩(wěn)步提高已經(jīng)持續(xù)了十年，每年的提高幅度約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的性能開始趨于平穩(wěn)。在過去的七八年里，科學(xué)家們不得不竭盡全力去爭(zhēng)取哪怕是0.5%的電池性能提高。

 

當(dāng)時(shí)的進(jìn)步主要來自工程和制造業(yè)的改進(jìn)。伯迪切夫斯基說:“在現(xiàn)代化學(xué)反應(yīng)被使用27年后，它們不斷接受提煉。”材料更加純凈，電池制造商已經(jīng)能夠通過使每層都變得更薄的方式將更活躍的材料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)代電池由極薄的陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極材料的交替層組成，與銅和鋁電荷收集器緊密地結(jié)合起來，將電子帶出電池，送到需要的地方。

 

在許多高端電池中，塑料隔膜位于陰極和陽(yáng)極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到擠壓損傷。這就是航空公司的安全視頻現(xiàn)在為何警告稱，如果你的手機(jī)掉進(jìn)了機(jī)械裝置里，不要試圖調(diào)整座位。

 

對(duì)鋰離子電池的每一次改進(jìn)，都需要權(quán)衡取舍。提高能量密度會(huì)降低安全性，引入快速充電可能降低電池的循環(huán)壽命，這意味著電池的性能下降得更快。鋰離子的潛力正在接近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研究人員一直在試圖尋找下一個(gè)飛躍，包括通過系統(tǒng)性地審視電池的四個(gè)主要組成部分——陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)和分離器，并使用越來越復(fù)雜的工具。