電池技術又雙叒叕大突破？不要上了標題黨的當
出品：科普中國
製作：科了個普 大堂
監製：中國科學院計算機網路信息中心
在這個智能手機普及的時代，大部分人都至少擁有一部手機。小小的手機里有兩千多個零部件，關鍵的部件每年都在迅速升級迭代：屏幕越來越大，解析度越來越高，CPU越來越快，內存越來越大，攝像頭像素越來越高。但唯獨電池性能的提升卻如龜速般前進，更是伴隨頻發的安全問題，這一直制約著手機的使用體驗。
從2007年第一代iPhone到2017年末，十年時間，手機的使用時間只從6個小時提高到十幾個小時，電池工業遠遠落後於手機上其他部件的發展速度。人們不得不時常隨身攜帶一個笨重的充電寶。而與之相反，科研界卻頻頻爆出關於電池性能突破的吸引眼球的新聞：比如某某大學科研團隊實現某種電池突破"充電5秒鐘，通話兩小時。" 等等，那麼我們該如何看待這些新聞？這些實驗室里的科研突破能為我們的日常生活中的電子產品真正帶來什麼改變呢？這次放衛星的又是哪種電池技術的新進展？
2017年12月15日，浙江大學高分子科學與工程學系高超團隊研製出的新型鋁-石墨烯電池。相關論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life發表於Science Advances，第一作者為團隊的陳皓博士。據報道，這種電池可以在零下40攝氏度到120攝氏度的環境中工作，可謂既耐高溫，又抗嚴寒。在零下30攝氏度的環境中，這種新型電池能實現1000次充放電性能不減，而在100攝氏度的環境中，它能實現4.5萬次穩定循環。這種新型電池還是柔性的，將它彎折一萬次後，容量完全保持，而且，即使電芯暴露於火焰中也不會起火或爆炸。
電池在高溫下可以正常工作。兩個電池串連可以點亮一組LED燈。
這種電池的正極是石墨烯薄膜，負極是金屬鋁。把兩片電池串聯在一起，就能點亮一組LED燈。經過測試，石墨烯正極的比容量達到120mAh/g（毫安時每克），如果把一次充電—放電作為一次循環，快速充電可1.1秒內充滿電，仍具有111mAh/g的可逆比容量。在25萬次充放電循環後仍能保持91%的容量，幾乎沒有電量損失。如果智能手機用上這種電池，每天哪怕充電10次，也能用上近70年。
新電池太強大？真實情況是……
看了上面這些描述，是不是感覺這種新電池太強大了？！盼望著它能早點實現量產，快點用到我們的手機上，讓我們早日拋棄笨重的充電寶？然而真實情況如何呢？還要從這項發明的由來說起。
2015年，斯坦福大學的戴宏傑課題組在Nature雜誌發表研究工作，採用高溫裂解石墨泡沫來製作正極，首次實現了比容量較高且可長循環的鋁離子電池。浙江大學高超教授課題組受此啟發，嘗試用石墨烯膜來製作鋁電池的電極。
斯坦福大學開發的鋁離子電池，以及電池的正極材料。
"電池的性能，關鍵取決於電子和離子在正極和負極之間" 奔跑"的狀態。"課題組的負責人高超教授說，電極材料要讓儘可能多的電子和離子暢通地奔跑，或者快速歸位。如果路不夠多或者道路擁擠，性能就會受到影響。
經過一年半摸索和積累，高超團隊提出了石墨烯正極材料的"三高三連續"設計原則。"三高"指，微觀結構的高質量、高取向、高孔道率；"三連續"指，宏觀結構上有連續的導電網路、連續的離子傳輸通道和連續的離子嵌層通道。這一設計原則上讓鋁—石墨烯電池的性能向前邁出一大步。之前，鋁電池的比容量一直在60mAh/g左右徘徊，可反覆充放電次數也在數千次以內。
充電電池界的"泰山北斗"——鋰離子電池
目前商用的最普遍的可充電電池是鋰離子電池，鋰離子電池的概念從1970年被美國的M.S.Whittingham教授首先提出，到1985年被供職於日本旭化成株式會社的吉野彰團隊開發成功，再到1991年Sony公司商業化生產，總共經歷了20多年時間。
雖然它相對穩定的表現能滿足目前的一般的使用場景，但是金屬鋰是一種昂貴且活潑的稀有金屬。這意味著鋰電池的成本註定不會降低到一個非常友好的程度，同時鋰電池在很多特殊場合的安全性風險又不得不引發我們的重視，航空業對於鋰電池攜帶和託運的相關規定正是鋰電池非常規環境下存在安全顧慮的佐證。
隨後，科學家們為了降低成本又在實驗室開發出鈉電池、鋁電池。其中，鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，廉價安全，在電池製備中是一種理想的負極材料。但是多年來，鋁電池的整體性能仍然比不上鋰離子電池和超級電容器。鋁電池技術面臨的關鍵問題是要設計出能與鋁匹配且能高效工作的正極材料。只有這樣才能真正發揮出其出色的電化學性能。
吉野彰教授，以及他設計的用於實驗的第一個管狀鋰離子電池原型。
高超教授指出，鋁電池目前的正極比容量、輸出電壓及面負載量還有較大的提升空間，能量密度尚不足以與鋰離子電池相匹敵，今後還需在保持高功率密度的基礎上進一步提高能量密度。此外，目前經典的離子液體電解質價格較貴，如果可以找到更廉價的電解質，鋁離子電池的商業前景將更寬廣。任何一項新發明如果不把成本控制在市場可以接受的程度，就難以實現商業化。
鋰離子電池生產車間的大型塗布機
綠色電池屢爆新突破：至少需要8到10年商業化
近20年來綠色電池作為新能源行業里的核心產業，受到社會各方追捧，政府加大投資，科研界也熱捧。不斷爆出發表在國際頂級的期刊Nature，Science上的論文宣稱實現了某種技術突破，這些論文的本質是在向世界宣稱，他們研製出了一種新的電池材料，或者發現了某種關鍵的機理。
然而，各位讀者可能有所不知，實驗室里的電池原型大都是類似於手錶里使用的紐扣電池。而商用的電池電芯是一種叫18650型的電池。它是由鋰離子電池的鼻祖——日本SONY公司當年為了節省成本而定下的一種標準性的電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。無論是移動電源，筆記本電腦，還是特斯拉電動跑車裡的電芯，都是這種電池。這種電芯的製作需要在無塵、封閉的工廠車間里，藉助大型的專業設備製作組裝。而實驗室顯然不具備這種條件。就算後續的研究能找到價格低廉的電解液作為離子液體電解液的替代材料，從實驗室的電池原型到可以商用的電池電芯，也至少需要8到10年的商業化可發時間，來解決各種技術細節問題。
18650電池和2032紐扣電池
說到實驗室，除了大學和高大上的國家實驗室，企業附屬的實驗室也有著非常重要的一席之地。比如上世紀聞名世界的美國施樂中央實驗室，那是在上個世紀70年代，計算機革命需要的所有重要技術，幾乎都誕生在這家實驗室。有人說，當時全世界計算機頂尖人才，有一半都在這裡工作，你說牛不牛？據說喬布斯就是在參觀施樂實驗室的時候，第一次看到了圖形用戶界面和滑鼠，激動得臉紅心跳，回去就用在了蘋果電腦上。
貝爾實驗室科學家在工作
其實，這種企業附屬的中央實驗室，當年可不僅施樂這一家。更加大名鼎鼎的，還有貝爾實驗室，它當時屬於AT&T公司。貝爾實驗室成立以來，已經獲得27000多項發明專利，平均每個工作日有4項，還獲得了8個諾貝爾獎，比大多數國家的獲諾貝爾獎的次數都多。然而，這麼多年過去後，真正用到我們生活中，讓我們記住的也僅有個人電腦、激光印表機、滑鼠、圖形用戶界面這些罷了。
現在電池工業的發展更多的是靠企業內部的微創新推動的，比如正極材料的配比，材料的塗布技術，電池的組裝技術等等這些細節來提高電池的性能和安全性。
說白了，對企業科研來說，知其然就夠了，不必知其所以然。重要的是知道怎麼辦，找到解決方案，而不需要在基礎科學層面研究得一清二楚。
確實，科學和技術，本來就是兩回事。我們的原始人老祖先，懂得拿棍子撬石頭，這是技術；不必等到阿基米德提出槓桿原理，那叫科學。瓦特改良蒸汽機，能用就行，這是技術；也不見得一定要先搞清楚，水蒸氣做功的原理是什麼，那叫科學。
科學研究的目的是為了服務社會的，每一篇發表在期刊上的論文都有它的意義。期刊規定它的意義必須清晰地寫在論文的摘要和結論里。但是這些意義都是用嚴謹的，專業的術語表達的，對於不是這個研究領域的科研工作者都很難看懂，更不要提普通的非科研工作者了。至於媒體上奪人眼球的報道，純屬只是為了吸引人注意罷了。下次再看到這種標題黨的新聞就把它當成娛樂新聞就好了。
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