鋰電池新改造：iPhone電量支撐一周

　　經(jīng)過(guò)夾心和鉆孔處理的新型鋰離子電池，其儲電量和充電速度比原來(lái)都提高了10倍

　　多年來(lái)，電池一直是大多數電子消費品的薄弱環(huán)節。以智能手機為例，雖然技術(shù)日新月異，手機已經(jīng)可以直接觀(guān)看高清影像，但是看不了多久就要充電。筆記本電腦雖然裝上了雙核、能夠揮灑自如地執行多任務(wù)，但只要全力運行幾小時(shí)，內部的電池就會(huì )耗盡。我們都經(jīng)歷過(guò)這樣的尷尬――等待重要來(lái)電時(shí)，手機卻沒(méi)電了；最喜歡的歌曲快要開(kāi)始，iPod的指示燈卻滅了；死命跑到咖啡館，只為給筆記本電腦充電。多虧美國一組科學(xué)家最近取得的突破，這樣的尷尬將會(huì )越來(lái)越少。

　　著(zhù)眼源頭，巧用夾心

　　這個(gè)研究組來(lái)自芝加哥的西北大學(xué)，研究帶頭人是芝大化學(xué)和生物工程系的教授哈羅德?？撞┦浚℉arold Kung）?？撞┦亢退耐市?，通過(guò)在電池中添加新的材料，他們已經(jīng)能讓電池的儲電量和充電速度大大提高。近期的《高級能量材料》（Advanced Energy Materials）雜志上刊登了對這項創(chuàng )新的介紹，執筆的孔博士等人在文中對新技術(shù)做了詳細描述。

　　這項研究的對象是鋰離子電池?，F在市場(chǎng)上的大多數可充電設備都靠鋰離子電池供電，以目前的技術(shù)而論，它有兩個(gè)主要缺陷：一是電力供應有限，二是充電速度緩慢。眼下正有越來(lái)越多的消費者使用智能手機和平板電腦進(jìn)行數據密集的操作，比如看電影、玩游戲、上網(wǎng)瀏覽等等。因此，電池的性能自然就成為了大家關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　為了提高用電效率，廠(chǎng)商紛紛在自己的產(chǎn)品上動(dòng)起了腦筋，例如蘋(píng)果就剛剛完成了iPhone4S的軟件更新，以解決耗電過(guò)快的問(wèn)題；不久前發(fā)明的E-MiLi技術(shù)可以阻止手機在休眠模式下搜索信號，從而延長(cháng)電池的續航能力；新問(wèn)世的硅芯片可使處理器的效率倍增，讓設備在不耗盡電池的前提下完成密集操作；手機廠(chǎng)商甚至研發(fā)了透明的太陽(yáng)能顯示屏貼膜，讓智能手機能在陽(yáng)光中充電。

　　以上創(chuàng )意的出發(fā)點(diǎn)都是提高設備的用電效率；而孔博士等人的目標，則是增強電池本身的性能，從源頭上解決電力不足的問(wèn)題。

　　顧名思義，鋰離子電池就是內部含有鋰離子的電池。每一塊鋰離子電池的正極都安裝了好幾層名叫“石墨烯”的材料，石墨烯是層層疊疊的碳原子，鋰離子位于這些碳層之間，每當電池充電或者耗電時(shí)，它們就從一個(gè)碳層移動(dòng)到另一個(gè)碳層。充電，就是將鋰離子送往電池正極的過(guò)程，當所有離子都抵達正極，電池就充滿(mǎn)了。而在設備投入使用的時(shí)候，電池中的鋰離子就開(kāi)始逐漸向負極移動(dòng)，當它們全部抵達負極，電力即告耗盡。

　　孔博士和同事的目標是增加鋰離子電池的能量密度；換言之，如何在電池中儲存更多能量，以及如何更快地將能量存入取出。他們決定從改變電池正極的內部結構著(zhù)手。

　　鋰離子電池的儲電量是由電池內部的鋰離子數量決定的。在由石墨烯組成的傳統鋰離子電池中，每六個(gè)碳原子可容納一個(gè)鋰原子。為了增加儲電量，科學(xué)家試過(guò)用硅來(lái)替換碳；硅的容量比碳大，每四個(gè)硅原子就能容納一個(gè)鋰原子，因此更善于儲電，但硅也有它的缺點(diǎn)，就是會(huì )在充電時(shí)膨脹收縮、發(fā)生碎裂，從而使電池迅速失去電力。

　　為了解決這個(gè)兩難問(wèn)題，孔博士和同事想到了“夾心”的辦法：他們將細小的硅簇夾在兩層石墨烯中間。在充電和放電過(guò)程中，石墨烯和硅簇一起膨脹、收縮，卻又不至于破裂。這樣一來(lái)，不僅硅的形態(tài)得以保持穩定，穿梭于電池中的鋰離子數量也增加到了最大?？撞┦扛嬖V記者：“這辦法算是博采兩家之長(cháng)，既用硅片提高了能量密度，又用夾心手法減少了硅的伸縮造成的電力損失?！?/FONT>

　　至此，儲電量的問(wèn)題得以圓滿(mǎn)解決，那么，如何才能讓充電速度更快呢？長(cháng)久以來(lái)，鋰離子電池的充電效率一直受到石墨烯形態(tài)的制約：電池中的石墨烯片非常薄，厚度只有一個(gè)原子，相比之下，他的面積就顯得相當龐大了。充電時(shí)，鋰離子必須繞過(guò)面前的石墨烯片才能就位，它要先向外移動(dòng)到石墨烯片的邊緣處，然后回到兩片石墨烯中間停留，這個(gè)過(guò)程耗時(shí)漫長(cháng)、頗費周張，導致石墨烯片的邊緣經(jīng)常發(fā)生“交通阻塞”。

　　有鑒于此，研究人員自然想到了疏導交通的方法――既然決定充電時(shí)間的是鋰離子在石墨烯層之間的移動(dòng)速度，那為何不給這些離子開(kāi)辟幾條捷徑呢？運用化學(xué)氧化過(guò)程，他們在石墨烯片上鉆出了數以百萬(wàn)計的小孔，每一個(gè)小孔的直徑都在10到20納米之間。這樣一來(lái)，鋰離子就能更加自由地在電池中穿行，充電速度也隨之提高了。

　　經(jīng)過(guò)夾心和鉆孔處理的鋰離子電池，其儲電量和充電速度都提高到了原來(lái)的10倍。

　　缺點(diǎn)有限，前途無(wú)量

　　新技術(shù)雖然填補了鋰離子電池的現有缺陷，但它本身卻并非完美無(wú)缺――在充電150次之后，它的儲電量和充電速度都會(huì )驟降。但孔博士認為缺點(diǎn)有限，瑕不掩瑜，他說(shuō)：“即便在經(jīng)過(guò)了一年多的使用和150次的充電之后，新電池的效率仍比市場(chǎng)上現有的鋰離子電池高出5倍?！?/FONT>

　　自論文發(fā)表、成果公布之后，孔博士就一直忙著(zhù)招架風(fēng)投公司的邀約。業(yè)界已經(jīng)等不及要將這項成果商業(yè)化，將新電池投入批量生產(chǎn)了。參與研究的科學(xué)家則認為新技術(shù)尚不成熟，現在投產(chǎn)為時(shí)過(guò)早。他們指出，迄今完成的工作都集中在對電池正極的改良――也就電池供電時(shí)、電流進(jìn)入電池的那一極，眼下需要的是繼續研究電流流出的負極，以期進(jìn)一步提高電池性能?？撞┦空J為，如果進(jìn)展順利，新產(chǎn)品有望在三到五年內走進(jìn)商場(chǎng)。

　　一旦投產(chǎn)上市，它會(huì )對我們的日常生活產(chǎn)生什么影響呢？首先肯定是讓各種電子產(chǎn)品更加經(jīng)久耐用、充起電來(lái)更加快捷。未來(lái)的智能手機只要15分鐘就能充足電量，還能持續使用一周的時(shí)間。

　　從另一方面看，就算將電池的尺寸縮小為現在的1/10，它的性能也可保持不變。只要見(jiàn)過(guò)iPad或者智能手機的電池，就會(huì )明白電池是阻礙電子產(chǎn)品小型化的重要因素。新技術(shù)一旦推廣，許多產(chǎn)品的體積都有望顯著(zhù)縮小，到時(shí)候，手提電腦和助聽(tīng)器就再也不需要攜帶那一塊塊沉甸甸的電池了。

　　不過(guò)，孔博士的心底還醞釀著(zhù)更大的理想。他希望這種新型充電電池能以其更大的容量、更短的充電時(shí)間革新電驅動(dòng)轎車(chē)技術(shù)。

　　“如果你的電驅動(dòng)轎車(chē)不用每跑60英里（96.5公里）就充一次電，而是可以一連跑上600公里，那么電動(dòng)轎車(chē)就會(huì )比現在好用很多。你不用在家充完電再上路，只要中途在加油站稍停片刻、充個(gè)15分鐘的電就行。如果能做到這一點(diǎn)，消費者接受電動(dòng)車(chē)的阻力就會(huì )減小?！?/FONT>

　　他還指出，高品質(zhì)的電池不僅可以推廣電動(dòng)車(chē)，還能將太陽(yáng)能和風(fēng)能這些再生資源產(chǎn)生的電力儲存起來(lái)。這將使人類(lèi)減少對化石燃料的依賴(lài)，在降低大氣中的碳排放的同時(shí)，減少對進(jìn)口石油的依賴(lài)。

　　“有了儲存電力的簡(jiǎn)單方法，我們這個(gè)電力世代就能更加倚重那些再生資源了?！彼绱苏雇?。