不久前，我國科學家開發(fā)出一種可在零下70攝氏度使用的鋰離子電池，未來有望在地球極寒地區(qū)，甚至外太空使用，聽起來真是“吊炸天”。

據(jù)研究人員稱，這種新電池使用的材料成本不高，還環(huán)保，但要想將其商業(yè)化尚有待時日，重要問題是其能量密度太低，還比不上傳統(tǒng)的鋰離子電池。那么，電池技術何時才能有革命性的突破?

傳統(tǒng)鋰離子電池技術接近瓶頸

“消費電子、汽車和電網(wǎng)存儲是目前電池重要應用的三個行業(yè)。我把這三個行業(yè)稱為人們與電池連接的三大領域。每個領域對電池都有不同的要求，因此所使用的電池也可能(有時)大不相同。在你口袋里的手機要結實、安全的電池，重量和成本倒不用太考慮。而關于汽車電池行業(yè)而言，要的電池很多，因此成本和重量以及循環(huán)使用壽命(假如新特斯拉每兩年要更換一次新電池，你會抓狂的)就變得十分重要。用于存儲房屋和電網(wǎng)的電力的電池對重量或尺寸要求則不高。”美國能源存儲研究聯(lián)合中心研究與開發(fā)副主任溫克特·斯里尼瓦森說。

幾乎電子行業(yè)的每一個部分都要電池，從而也都受到電池的功率輸出和能量壽命的限制。《電源雜志》主編斯蒂法諾·帕瑟里尼指出，“電池的發(fā)展或進步比其他領域慢得多，這是電池本身的局限性，你不能指望有能給手機供電一周或一個月的電池。因為，存儲在電池中的最大能量是由固有的元素決定。”

1991年，索尼推出首個商用鋰離子電池，鋰離子電池沿用至今被稱為主流的電子設備電池技術。由于鋰離子是最輕的堿金屬元素，擁有著更小、更輕、能量密度更高的特性，所以迅速取代了鎳電池。

在鋰離子電池的構成物質中，有磷酸鐵、錳、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料，但要靠著“鋰離子”這個元素在正、負極中的嵌入與脫出，才可實現(xiàn)電能與化學能的相互轉化，最終完成充放電過程。

然而，鋰離子電池的技術進步發(fā)展緩慢。目前鋰離子電池在能量密度、高低溫特性、倍率性能上，都遠遠高于鉛酸、鎳氫電池，但還是難以滿足快速上升的電子產(chǎn)品、電動汽車等的需求。

近些年來，研究人員努力提高鋰離子電池的能量密度(電量體積容量比)、價值、安全性、環(huán)境影響以及試用壽命，并在設計全新類型的電池。但帕瑟里尼表示，現(xiàn)在傳統(tǒng)鋰離子電池技術已接近瓶頸，進一步優(yōu)化的空間有限。

創(chuàng)新思路催生新型電池

在汽車行業(yè)中，電池最終決定了汽車的壽命，也決定了人們關于電動汽車的恐懼和焦慮。為了解決這個問題，工程師和科學家正在嘗試將更多的電壓容量填充到電池中。目前，大量的研究致力于尋找新的材料和化學品以輔助或替換鋰離子晶格或電池的其它部分。

例如一些創(chuàng)新的做法，將傳統(tǒng)的石墨陽極晶格可以替換為硅，會擁有10倍多的鋰離子，但硅在吸收鋰離子時會膨脹，所以研究者們要解決這個問題;將鋰金屬代替晶格充當陽極，但是有可能它在充電時會發(fā)生短路。而這是自鋰離子電池問世二三十年以來，令電池制造商一直頭疼的老大難問題。

也許，鋰可以完全被替換?例如，鈉或鎂，再或其他的物質材料。國外的一家能量存儲研究聯(lián)合中心正在使用計算機建模，研究將特定的氧化物材料作為鎂陽極相對應的陰極。鎂是非常有優(yōu)點的，因為其結構允許每個原子接受兩個電子，這使得鎂可加倍儲存電荷。

還一種思路，琢磨電池的“心臟”——電極/電解液界面。

在所有的環(huán)境因素中，溫度對電池的充放電性能影響最大。發(fā)表在最新一期美國能源學術期刊《焦耳》上的研究顯示，我國復旦大學化學系、新能源研究院教授夏永姚帶領團隊開發(fā)出耐寒新電池，采用凝固點低、可在極端低溫條件下導電的乙酸乙酯作為電解液，并使用兩種有機化合物分別作為電極的陰極和陽極。

夏永姚說：“乙酸乙酯電解液和有機高分子電極讓可充電電池在零下70攝氏度的極低溫條件下工作。”新電池的材料充足、便宜且環(huán)保，他預計這種材料的價格只有傳統(tǒng)鋰離子電池電極材料的約三分之一。

要了解，在俄羅斯和加拿大等極寒地區(qū)，溫度低于零下50攝氏度;在太空中，溫度低至零下157攝氏度。而傳統(tǒng)鋰離子電池在零下20攝氏度時性能只有其最優(yōu)水平的50%，零下40攝氏度時只有最優(yōu)水平的12%。