誰能取代鋰電池？
當今的移動世界離不開鋰離子電池，這是目前可充電電池的最佳選擇。去年，消費者們購買了50億隻鋰離子電池，用來給筆記本電腦、照相機、手機和電動汽車供電。美國阿貢國家實驗室能源存儲聯合研究中心（JCESR）的負責人喬治·克拉布特里（George Crabtree）說，「這是有史以來最好的電池技術」。不過，克拉布特里的目標遠不止於此。
1991年，索尼公司推出第一款商業版鋰離子電池，與之相比，如今鋰離子電池的能量密度（單位質量所存儲的能量）已經是原來的兩倍多，而價格只有當初的1/10。不過，鋰離子電池的能量密度已經接近極限。許多研究者認為，對鋰離子電池的改進，最多還能將能量密度再提高30%。這意味著，鋰離子電池永遠不能像一油箱汽油那樣，讓電動汽車連續行駛800千米，也不能讓「電老虎」般的智能手機續航許多天。
2012年，JCESR從美國能源部爭取到1.2億美元的資金，用於研究超越鋰離子電池的技術,而亞洲、美洲和歐洲的許多研究團隊和公司都在尋找取代並超越鋰離子電池的新技術。
【鋰–硫電池】
2013年初，化學工程師埃爾頓·凱恩斯（Elton Cairns）認為，自己研製出了一種新型化學電池，只有硬幣大小。到2013年7月，他的電池已在美國勞倫斯伯克利國家實驗室經歷了1 500次充放電循環，而電池容量只損失了一半。這樣的性能，基本可以媲美最好的鋰離子電池了。凱恩斯的電池基於鋰–硫（Li-S）技術，所使用的材料價格非常低廉，理論上的能量密度是鋰離子電池的5倍多。
鋰–硫電池的主要優勢之一，在於減掉了鋰離子電池的「無效體重」。在一塊典型的鋰離子電池中，多層石墨電極佔據了大量體積，而這些電極基本上只是用來吸附鋰離子。這些鋰離子經由電解液，流到多層金屬氧化物電極。和所有電池一樣，電子必須通過外部電路流動，來平衡正負電荷，從而產生了電流。要想給電池充電，則須通過外加電壓來反轉電子流動，這同時也會讓鋰離子回到石墨電極上。
在鋰–硫電池中，一塊純金屬鋰片代替了多層石墨電極。這塊鋰片既是電極，也是鋰離子的來源。電池放電時，鋰片變薄；電池充電時，它又恢復原狀。金屬氧化物電極也被更廉價、更輕的硫所取代。硫吸附鋰的能力更強，每個硫原子可以結合兩個鋰原子，而在鋰離子電池中，結合一個鋰原子就需要不止一個金屬原子。所有這一切使得鋰–硫電池在成本和重量兩方面都具有明顯優勢。
一些研究者質疑，學術界的認同未必能轉換成商業上的成功。在實驗室，研究人員通常使用少量硫和大量電解液，這樣比較易於研究，但不能製成高能量密度的電池。在PolyPlus公司（一家製造電池的公司，位於凱恩斯實驗室以西5千米的地方）研究鋰–硫電池超過20年的史蒂夫·維斯科（Steve Visco）說，增加硫和減少電解液會使電池更容易壞掉，要想以低廉的成本製造出能經受住一年四季溫度考驗的商品化電池相當困難。
至少有一家公司——英國Oxis能源公司——看好鋰–硫電池的前景。該公司聲稱，它們已經製造出可以充放電900次的大型鋰–硫電池，能量密度與當前的鋰離子電池不相上下。Oxis能源公司正在與美國Lotus工程公司合作，他們希望在2016年前開發出可用於電動汽車的電池，能量密度將達到400 Wh/kg。
【鎂電池】
作為世界上最輕的金屬，鋰擁有巨大的重量優勢。但一些研究者認為，下一代電池應該使用更重的元素，比如鎂。每個鋰離子只能攜帶一個電荷，而二價的鎂離子能攜帶兩個電荷，這意味著可以釋放的電能提高了一倍。不過，鎂也有自己的問題。鋰離子能輕鬆通過電解液和電極，而攜帶兩個電荷的鎂離子移動速度緩慢，就像是在黏稠的糖漿中穿行。
美國阿貢國家實驗室的電池研究人員彼得·丘帕斯（Peter Chupas）正在與JCESR合作，他用高能X射線轟擊各種電解液中的鎂，來研究鎂為什麼會受到巨大的阻力。截至目前，他和同事發現，鎂離子能強烈吸引周邊溶液中的氧，從而吸引一大群溶劑分子，這使得鎂離子變得沉重。
美國勞倫斯伯克利國家實驗室的材料科學家克里斯廷·佩爾松（Kristin Persson）正在用超級計算機模擬潛在新型電池的內部結構，她正在試圖從大約2 000種電解液中，找到一種更好的電極與電解液的組合，讓鎂離子可以更順暢地通過電解液。
佩爾松和麻省理工學院的材料科學家赫布蘭德·塞德（Gerbrand Ceder）成立了Pellion技術公司，來研發這種高容量鎂電池。公司對其進展三緘其口，目前只發表了一篇關於電極的研究論文。2013年底公開的一大批專利表明，Pellion技術公司正在研發更開放的電極結構，幫助鎂離子流動。包括豐田、LG、三星和日立在內的各大電子產品公司，都在研發類似的電池，但這些公司也都很少透露相關進展。
【氧電池】
溫弗里德·維爾克（Winfried Wilcke）自稱是「一個非常幸福的擁有特斯拉S電動汽車的車主」，他說，正是這輛電動汽車讓他意識到電池研究是當務之急。
一開始，維爾克關注的是高能量密度電化學存儲的理論極限——鋰與氧氣的氧化反應。與其他類型的電池相比，這種「會呼吸的」鋰–氧電池有巨大的重量優勢，因為其中一種主要反應原料——氧氣，不必再裝載到電池中。理論上，鋰–氧（Li-O）電池的能量密度可以媲美汽油發動機，比現今電動汽車電池的能量密度高10多倍。
在駕駛著他的特斯拉S電動汽車行駛了22 000多千米之後，維爾克對這輛汽車的電池所提供的400千米的續航能力感到滿意。他說，真正的問題是錢，電動汽車的電池成本在每千瓦時500美元以上，「電動汽車不被大眾接受的真正原因，不是能量密度，而是價格」。所以，維爾克現在更看好一種基於鈉的、更便宜的燃料電池。根據理論預測，鈉–氧（Na-O）電池的能量密度是鋰–氧電池的一半，不過，這已經比鋰離子電池高出5倍了，而且，鈉比鋰更便宜。因此，維爾克滿懷希望地說，鈉–氧電池的成本或許可以接近每千瓦時100美元，這正是JCESR等研發機構認為消費者能夠承擔得起的價格。
【液流電池】
麻省理工學院的材料化學家唐納德·薩多韋（Donald Sadoway）認為，未來的電池更像是一家冶煉廠。他設想了一種像集裝箱一樣大的箱子，每個箱子中有20個像電冰箱一樣大的鋼製單元，裡面裝著加熱到500℃的熔融金屬和鹽。
這樣的電池永遠不可能用在汽車上，也不可能在能量密度這種指標上勝過鋰離子電池。但是，為電網存儲能量時，或者在不必考慮便攜性的應用場景下，電池的尺寸就無關緊要了。這時候，人們需要的電池，不必又小又輕，能量強勁，而是要在較低成本和較少維護下，存儲和釋放可多可少的電能。JCESR希望，這樣的電池可以充放電7 000次，大約可以使用20年。
薩多韋正在研究另一種技術，他用兩層熔融的金屬（因密度不同而分成上下兩層）作電極，中間則以一層熔融的鹽作為電解液隔開。隨著離子在其間移動，兩個熔融金屬層或膨脹，或收縮，從而實現電能的存儲和釋放。這一切都是液態的，所以，經過數千次充放電循環後，也不會像固態電極那樣出現破裂。
還有一些研究小組正在研發不那麼激進的液流電池。這種電池的燃料由兩種液體組成，離子在兩種液體之間傳遞，中間隔著一層薄膜。液體燃料可以保存在電池外部的儲存箱中，需要的時候再用泵抽取，因此，只需要使用更大的儲存箱，就可以存儲大量電能。不過，這種電池需要泵和閥門。薩多韋說，這些設備必然會面臨維護問題。
在商用液流電池中，薄膜兩側的液體燃料都使用了釩離子，但釩和薄膜都非常昂貴。全世界最大的液流電池安裝在中國的一個風力發電場，據中國科學院大連化學物理研究所的張華民估計，這一電池的耗資可能高達每千瓦時1 000美元。哈佛大學的材料科學家邁克爾·阿齊茲（Michael Aziz）說，「單是釩的成本就已經高得讓人難以承受了」。
今年1月，阿齊茲的團隊宣布，廉價的醌類物質（quinones，一類有機化合物）可以用於液流電池，它們可以與標準液體電極（比如溴）搭配使用。阿齊茲的電池系統已經充放電超過100次，性能依舊強勁。他希望能將這種電池的成本降低到每千瓦時100美元以下。不過，阿齊茲說，「這種電池系統現在還只是實驗室通風櫥里的一個玩具而已，只有大規模生產時，才能知道真正的成本有多高。」（作者：理查德·范·諾登/Richard Van Noorden；翻譯：趙旭丹）
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