节能、省电、长续航...电池技术为何一直停滞不前?

摘要: 即便消费者电子产品制造商,从苹果到三星,为了让设备拥有更长的电池寿命投资了上百万美元的科研资金,这并不会减缓高度依赖电池的小配件数量不断上升的趋势。电池技术停滞不前一直是研究人员讨论的话题之一,很多人表示我们已经到达科学的极限。

电池 续航

2009年苹果重新设计MacBook Pro时,它采用了一种新型电池,使得电池续航能力比之前模型长了40%。这款笔记本电脑可以维持7小时,足以看2遍电影《阿拉伯的劳伦斯》,苹果营销总监菲尔·席勒(Phil Schiller)将这款电池称为“革命性的”,但事实上它的确如此吗?

过去20年间发生的科技飞跃实在令人瞠目结舌。计算机已经从功利主义的盒子转变为由金属和玻璃组成的线条明朗的矩形,且小到能够放在口袋里。现在的设备要强大得多,一款新型智能手表的计算能力比阿波罗登月飞船的都要强大。然而,电池是另外一回事。

即便消费者电子产品制造商,从苹果到三星,为了让设备拥有更长的电池寿命投资了上百万美元的科研资金,科技本身却无法在未来几年就发生翻天覆地的变化。但这并不会减缓高度依赖电池的小配件数量不断上升的趋势。

为什么电池技术停滞不前一直是研究人员讨论的话题之一,很多人表示我们已经到达科学的极限。无论真正的原因是什么,消费者将需要竭尽全力高效利用需要电池驱动的设备。

 

两条进化路线

为了理解具体的情况,我们必须考虑三个问题:电池制造商的过去、现在以及未来面临的挑战。

美国加州高级电池初创企业恩维亚公司的联合创始人和业务开发主管迈克尔·辛库拉(Michael Sinkula)发现1995年电池里存储的能量一直未发生特别显著的变化,直到十多年后2007年电池存储的能量才翻了一倍。自那时起,电池能量的增加从未超过30%。恩维亚相信直到2021年大多数电池存储的能量可能都不会翻倍。 

然而,一台标准的手提电脑可以运行长达10小时,这是为什么呢?

一般来说科技进步源于两个单独的推动力:不断地缩小每一个零部件的大小和不断改善管理所有部件的软件。一台电脑的大脑是它的微处理器,芯片可以为绘制图片,或者辅助Facebook更新你好友的生日状态进行必要的复杂计算。在过去的几十年,工业界一直在努力缩小处理器的体积。随着它们变得越来越小,它们所消耗的能量越来越少,因此电池寿命越来越长。

但电池另当别论。本质上来说,它们是金属和化学物质的集合。连通电池意味着会有电流经过。而化学过程面临的一个问题便是做的越小并不意味着变得越好。你可以设想它为一瓶饮料:杯子里装的啤酒越少,你能够喝到的啤酒也就越少。

在此之前,主要的电池发展都源于使用了新材料。当材料从镍转化为金属锂后,消费性电子产品的电池寿命极大的延长了。磷酸锂铁之父、现代电池发展的一名重要科学家约翰·古德伊夫(John Goodenough) 教授表示,现在的研究主要关注于改善锂电池的寿命。“元素周期表非常有限,” 古德伊夫说道,因此进步和提升变得越来越困难。

与1979年古德伊夫宣布取得了突破性进展使得现代电池变为可能的时期相比,现在研究电池问题的科学家数量明显要更多,然而,可以试验和研究的新材料却已经匮乏。

智能手机能够持续使用一周——而非只维持一天——所要求的是彻底革新的科技,而这样的技术目前尚未出现。古德伊夫认为“延长电池寿命的下一个策略目前还是未知数。”

 

通往锂电池的道路

现代电池追溯到18世纪,当时科学家们意外发现了一种处理静电的方法——将金属棒插入内部装满盐水、两端涂有箔层的瓶子。用一只手接触瓶子外部,而金属棒接触瓶子另一端,你就能体验触电的感觉了。

在《电池:便携式电源如何引发了一场技术革命》一书中,亨利·施莱辛格(Henry Schlesinger)描述了科学家们如何研究这种名为莱顿瓶的设备。其中非常著名的发明家是诗人珀西·比希·雪莱( Percy Bysshe Shelley)。年轻时的雪莱在妹妹的帮助下进行了实验。他还得到了妻子玛丽·雪莱的启发,后者在自己创作的小说《弗兰肯斯坦》里将电作为主要的情节设计。

就在小说《弗兰肯斯坦》出版后不久,安纳塔西欧·伏特(Alessandro Volta)发明了第一个被广泛使用的电池伏打电堆,就是在铜板和锌板中间夹上用盐水浸过的卡纸或布片,一层一层堆起来的蓄电池。 

当今的电池并未发生巨大的变化。切开电池内部,你可以看见由金属,例如锂制成的一种材料,和另一种材料(一般是碳)。两种材料之间是某种类似于伏特200年前使用的布片的物质——由液体或者胶体包裹的塑料,目的是防止金属发生相互作用,同时能够让原子自由移动。

当电池一端的金属丝与另一端的相接触,就产生了回路,电子会移动,从而产生电流,导致灯泡发光、立体声音响发声或者锁上汽车车门。对现在的电子设备而言,最流行的可充电电池锂离子电池已经被广泛使用了20多年。

 

市场快速增长

电池是科技的命脉。 根据欧洲知名研究机构法国Avicenne Energy的估计, 1990年,随着锂离子电池涌入市场,全世界对电池的需求高达200000万兆瓦时。这相当于444亿个劲量极限AA锂电池,足以环绕地球57次。截止20年后,也就是2013年,这一需求已经翻倍。

市场研究公司Lux Research预测截止2020年,仅用于驱动电子设备的电池花费将高达266亿美元,比2014年大约增长了30%。大多数需求来自智能手机和平板电脑,预计两者在未来6年将增加45%。用于交通,例如汽车的电池花费将翻倍,高达209亿美元。 

考虑到如此巨额的消费,研究人员正在努力改善电池寿命。即便如此,可以物质化的突破性进展寥寥无几。此外,几乎所有的主要研究首先都关注于在汽车和电网方面的应用。

科技巨头,例如IBM,在加州圣何塞的阿尔马登研究中心拥有一支专门研发电池技术的科学家小组。2009年,IBM投资了50万美金要求几名研究人员开发Battery 500项目:旨在打造一块可以支持汽车跑500英里的电池,这意味着一次充电汽车就可以从旧金山行驶到洛杉矶,中途还能绕到沙滩上休息一会。 

这一项目的关键是所谓的锂空气电池(The lithium-air battery),这种电池并不是依赖碳和其它金属,而是以锂离子为主,IBM和他的合作伙伴相信他们能够创造一种充满空气的容器,后者能够与锂发生相互作用从而产生电流。如果他们是正确的,那么这种空气电池的重量或可能减轻一半。 

但其中存在一个问题:为了实现能量的可持续和再充电过程,你必须获得纯净的空气,但我们现在呼吸的空气充满了污染物和水。“你需要机械装置净化空气。” IBM电池项目负责人温弗里德·维尔克(Winfried Wilcke)说道。这意味着这将增加电池的大小、重量和复杂性。

其它的科学家,包括来自美国麻省理工学院和德克萨斯州大学的研究人员,都在考虑使用其它材料,例如硅、硫和钠。然而很多相关的研究和开发都是针对汽车设计。将这种技术应用于消费性电子产品可能还需要再多等几年。 

有些消极的科学家描绘了一幅较为悲惨的前景,他们认为我们已经达到了电池能力的极限。而其他人,例如美国加州电池初创企业Imergy Power Systems首席执行官比尔·沃特金斯(Bill Watkins),则对电池的前景持乐观态度。“从来都不要低估一群拥有足够科研资金的博士们的能力。” 沃特金斯这样说道。

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评论(21

  • 飛義崋 飛義崋 2014-12-23 16:58 via pc

    等待革命

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  • 平民外交官 平民外交官 2014-12-17 11:46 via weibo

    电池技术到底到没到天花板,我觉得这个问题真的需要整个业界去思考。未来不论手机其他方面如何发展,续航问题永远都是绕不过去的话题。也许未来,人们看待今天基本一天一充的手机会觉得傻逼,但身处现在的我们,有改变现状的信心吗?

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  • djsgvaj djsgvaj 2014-12-14 17:07 via pc

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  • zuand zuand 2014-12-07 21:23 via pc

    电池技术也会出现天花板的,那天到来时,我们就要另寻出路了,可能电已不是主要能源了。

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  • mediatoy mediatoy 2014-12-06 11:09 via pc

    虽然物质改善这条路因为元素周期表的有限性而无法突破,但是可以考虑其他的能源使用方式啊,比如太阳能,或者加快充电的速度和便捷也是一种途径。

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  • liangzq liangzq 2014-12-05 19:32 via pc

    考虑下怎么把核能安全控制,用到手机上,一年不用充电

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  • chbin66 chbin66 2014-12-05 18:09 via pc

    瓶颈

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  • 这个美女不太帅 这个美女不太帅 2014-12-05 15:59 via weibo

    以前手机也不省电,就是玩的少,但玩的再多也可以换电池啊

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  • OK的 OK的 2014-12-05 13:38 via pc

    对电量的需求越来越高了,现在整天动手机

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  • 纷享@李伟 纷享@李伟 2014-12-05 08:51 via pc

    真的是技术难题吗

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Oh! no

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