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透过泡沫看本质：电池的未来在哪里

2016-06-01 21:35:37　来源: 《科学美国人》中文版《环球科学》(北京)

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卡内基梅隆大学提出的“技术成长曲线”告诉我们，诸多新技术想要与锂离子电池竞争还有多远的路要走。

每隔几周我们都能看到爆炸性新闻，声称发现了电池技术的“圣杯”，将来我们可以运用该技术在几分钟内给智能手机充满电、开电动车行驶数百英里、开发廉价可靠的可再生能源存储手段。

然而，这些“颠覆游戏规则”的电池似乎并没有在头条新闻之外的地方大显身手。这是怎么回事呢？

卡耐基梅隆大学机械工程学院的助理教授Venkat Viswanathan提出了同样的问题。在最近发表的论文中，他和他的同事提出了一个量化电池化学研究进展的“技术成长曲线（hype cycle）”。

这些研究人员统计新发表关于特定电池化学机制的技术论文，以确定该技术在“技术成长曲线”中的位置：从“创新出发点”、“期望膨胀顶峰”到最终的“稳定生产期”。最后这一阶段正是当前锂电池所处的位置。

这个图表展示了一些类型各异的电池技术。锰离子电池、钠离子电池、锂-硫电池的工作原理都与锂离子电池在某种程度上类似，但它们在能量密度（决定了电池有多小，或多轻）和成本上有击败锂离子电池的潜力。譬如，由于硫的价格低廉，相比于当今的锂离子电池，锂-硫电池有潜力大幅降低成本。然而目前的锂-硫电池并不稳定，易出现能效大幅下降和自放电。并且，当离子在电池中运动时，锂-硫电池的电极可能膨大80%，如此一来就很难找到维持电池形态的材料。不过锂-硫电池是最有前景的技术之一，其发展过程刚刚越过了Viswanathan及其学生所指出的“期望膨胀顶峰”。

锂-空气电池是除了锂离子电池外唯一越过“泡沫破裂低谷”并走向“启蒙上升期”的电池。锂-空气电池的储能技术完全不同，击败锂离子电池的潜力极大。这种电池的用金属锂做负极，在正极一端直接与空气中的氧气反应。由于反应物之一是空气，理论上讲，该电池储存同样能量所需材料仅为其他电池的一半，其重量也可减半。这一优点尤其为电动车行业所关注，因为小体积电池组对电动车十分有利。然而，锂-空气电池想要在成本和使用寿命上比肩传统的锂离子电池、达到“稳定生产期”，还有很长的路要走。

Viswanathan研究的价值在于帮助我们预测不同电池技术的发展阶段。虽然创新技术如雨后春笋，在便携式电子设备、电动车、电网设备等方面，锂离子电池仍然是赢家。也许在数年内，我们就能见证锂-空气电池超越锂离子电池，电动车相对于汽油、柴油车的竞争力大幅提升。但是锂-空气电池仍处在“启蒙上升期”，要达到锂离子电池的水平还有很长的路要走，更不用说与化石燃料竞争。

作者简介：Robert Fares 是美国得克萨斯大学奥斯汀分校的博士后，他的研究方向为新兴能源技术的经济和环境影响。（本文观点仅代表作者，不代表《科学美国人》。）

翻译：张帅琰

审校：杨玉洁