電池技術又雙叒叕大突破？不要上了標題黨的當

出品：科普中國

建造：科了個普年夜堂

監制：中國科學院計較機收集信息中間

在這個智妙手機普及的時代，年夜部門人都至少擁有一部手機。小小的手機里有兩千多個零部件，關頭的部件每年都在敏捷進級迭代：屏幕越來越年夜，分辯率越來越高，CPU越來越快，內存越來越年夜，攝像頭像素越來越高。但唯獨電池機能的晉升卻如龜速般進步，更是陪伴頻發的平安問題，這一向制約著手機的利用體驗。

從2007年第一代iPhone到2017年底，十年時候，手機的利用時候只從6個小時提高到十幾個小時，電池工業遠遠掉隊于手機上其他部件的成長速度。人們不得不時常隨身攜帶一個粗笨的充電寶。而與之相反，科研界卻幾次爆出關于電池機能沖破的吸引眼球的新聞：好比某某年夜學科研團隊實現某種電池沖破“充電5秒鐘，通話兩小時。” 等等，那么我們該若何對待這些新聞？這些嘗試室里的科研沖破能為我們的日常糊口中的電子產物真正帶來什么改變呢？此次放衛星的又是哪種電池手藝的新進展？

2017年12月15日，浙江年夜學高分子科學與工程學系崇高高貴團隊研制出的新型鋁-石墨烯電池。相關論文Ultrafast all-climate aluminum-graphene battery with quarter-million cycle life頒發于Science Advances，第一作者為團隊的陳皓博士。據報道，這種電池可以在零下40攝氏度到120攝氏度的情況中工作，可謂既耐高溫，又抗嚴寒。在零下30攝氏度的情況中，這種新型電池能實現1000次充放電機能不減，而在100攝氏度的情況中，它能實現4.5萬次不變輪回。這種新型電池仍是柔性的，將它彎折一萬次后，容量完全連結，并且，即使電芯表露于火焰中也不會起火或爆炸。

電池在高溫下可以正常工作。兩個電池串連可以點亮一組LED燈。

這種電池的正極是石墨烯薄膜，負極是金屬鋁。把兩片電池串聯在一路，就能點亮一組LED燈。顛末測試，石墨烯正極的比容量達到120mAh/g（毫安時每克），若是把一次充電—放電作為一次輪回，快速充電可1.1秒內布滿電，仍具有111mAh/g的可逆比容量。在25萬次充放電輪回后仍能連結91%的容量，幾乎沒有電量損掉。若是智妙手機用上這種電池，天天哪怕充電10次，也能用上近70年。

新電池太壯大？真實環境是……

看了上面這些描述，是不是感受這種新電池太壯大了？！盼愿著它能早點實現量產，快點用到我們的手機上，讓我們早日丟棄粗笨的充電寶？然而真實環境若何呢？還要從這項發現的由來說起。

2015年，斯坦福年夜學的戴宏杰課題組在Nature雜志頒發研究工作，采用高溫裂解石墨泡沫來建造正極，初次實現了比容量較高且可長輪回的鋁離子電池。浙江年夜學崇高高貴傳授課題組受此開導，測驗考試用石墨烯膜來建造鋁電池的電極。

斯坦福年夜學開辟的鋁離子電池，以及電池的正極材料。

“電池的機能，關頭取決于電子和離子在正極和負極之間‘ 奔馳’的狀況。”課題組的負責人崇高高貴傳授說，電極材料要讓盡可能多的電子和離子通順地奔馳，或者快速歸位。若是路不敷多或者道路擁擠，機能就會受到影響。

顛末一年半試探和堆集，崇高高貴團隊提出了石墨烯正極材料的“三高三持續”設計原則。“三高”指，微不雅布局的高質量、高取標的目的、高孔道率；“三持續”指，宏不雅布局上有持續的導電收集、持續的離子傳輸通道和持續的離子嵌層通道。這一設計原則上讓鋁—石墨烯電池的機能標的目的前邁出一年夜步。之前，鋁電池的比容量一向在60mAh/g擺布盤桓，可頻頻充放電次數也在數千次以內。

充電電池界的“泰山斗極”——鋰離子電池

今朝商用的最遍及的可充電電池是鋰離子電池，鋰離子電池的概念從1970年被美國的M.S.Whittingham傳授起首提出，到1985年被供職于日本旭化當作股份有限公司的吉野彰團隊開辟當作功，再到1991年Sony公司貿易化出產，總共履歷了20多年時候。

固然它相對不變的表示能知足今朝的一般的利用場景，可是金屬鋰是一種昂貴且活躍的罕見金屬。這意味著鋰電池的當作本注心猿意馬不會降低到一個很是友愛的水平，同時鋰電池在良多特別場所的平安性風險又不得不激發我們的正視，航空業對于鋰電池攜帶和托運的相關劃定恰是鋰電池很是規情況下存在平安掛念的佐證。

隨后，科學家們為了降低當作本又在嘗試室開辟出鈉電池、鋁電池。此中，鋁是地殼中含量最豐碩的金屬元素，廉價平安，在電池制備中是一種抱負的負極材料。可是多年來，鋁電池的整體機能仍然比不上鋰離子電池和超等電容器。鋁電池手藝面對的關頭問題是要設計出能與鋁匹配且能高效工作的正極材料。只有如許才能真正闡揚出其超卓的電化學機能。

吉野彰傳授，以及他設計的用于嘗試的第一個管狀鋰離子電池原型。

崇高高貴傳授指出，鋁電池今朝的正極比容量、輸出電壓及面負載量還有較年夜的晉升空間，能量密度尚不足以與鋰離子電池相匹敵，此后還需在連結高功率密度的根本長進一步提高能量密度。此外，今朝經典的離子液體電解質價錢較貴，若是可以找到更廉價的電解質，鋁離子電池的貿易前景將更寬廣。任何一項新發現若是不把當作本節制在市場可以接管的水平，就難以實現貿易化。

鋰離子電池出產車間的年夜型涂布機

綠色電池屢爆新沖破：至少需要8到10年貿易化

近20年來綠色電池作為新能源行業里的焦點財產，受到社會各方追捧，當局加年夜投資，科研界也熱捧。不竭爆出頒發在國際頂級的期刊Nature，Science上的論文傳播鼓吹實現了某種手藝沖破，這些論文的素質是在標的目的宿世界傳播鼓吹，他們研制出了一種新的電池材料，或者發現了某種關頭的機理。

然而，列位讀者可能有所不知，嘗試室里的電池原型年夜都是近似于手內外利用的紐扣電池。而商用的電池電芯是一種叫18650型的電池。它是由鋰離子電池的開山祖師——日本SONY公司昔時為了節流當作本而心猿意馬下的一種尺度性的鋰離子電池型號，此中18暗示直徑為18mm，65暗示長度為65mm，0暗示為圓柱形電池。無論是移動電源，筆記本電腦，仍是特斯拉電動跑車里的電芯，都是這種電池。這種電芯的建造需要在無塵、封鎖的工場車間里，借助年夜型的專業設備建造組裝。而嘗試室顯然不具備這種前提。就算后續的研究能找到價錢低廉的電解液作為離子液體電解液的替代材料，從嘗試室的電池原型到可以商用的電池電芯，也至少需要8到10年的貿易化可發時候，來解決各類手藝細節問題。

18650電池和2032紐扣電池

說到嘗試室，除了年夜學和高峻上的國度嘗試室，企業從屬的嘗試室也有著很是主要的一席之地。好比上宿世紀著名宿世界的美國施樂中心嘗試室，那是在上個宿世紀70年月，計較機革命需要的所有主要手藝，幾乎都降生在這家嘗試室。有人說，那時全宿世界計較機頂尖人才，有一半都在這里工作，你說牛不牛？據說喬布斯就是在參不雅施樂嘗試室的時辰，第一次看到了圖形用戶界面和鼠標，沖動得臉紅心跳，歸去就用在了蘋果電腦上。

貝爾嘗試室科學家在工作（圖片來歷于視覺中國）

其實，這種企業從屬的中心嘗試室，昔時可不僅施樂這一家。加倍赫赫有名的，還有貝爾嘗試室，它那時屬于AT&T公司。貝爾嘗試室當作立以來，已經獲得27000多項發現專利，平均每個工作日有4項，還獲得了8個諾貝爾獎，比年夜大都國度的獲諾貝爾獎的次數都多。然而，這么多年曩昔后，真正用到我們糊口中，讓我們記住的也僅有小我電腦、激光打印機、鼠標、圖形用戶界面這些而已。

此刻電池工業的成長更多的是靠企業內部的微立異鞭策的，好比正極材料的配比，材料的涂布手藝，電池的組裝手藝等等這些細節來提高電池的機能和平安性。

說白了，對企業科研來說，知其然就夠了，不必知其所以然。主要的是知道怎么辦，找到解決方案，而不需要在根本科學層面研究得一覽無余。

確實，科學和手藝，原本就是兩回事。我們的原始人老祖先，懂得拿棍子撬石頭，這是手藝；不必比及阿基米德提出杠桿道理，那叫科學。瓦特改良蒸汽機，能用就行，這是手藝；也不見得必然要先搞清晰，水蒸氣做功的道理是什么，那叫科學。

科學研究的目標是為了辦事社會的，每一篇頒發在期刊上的論文都有它的意義。期刊劃定它的意義必需清楚地寫在論文的摘要和結論里。可是這些意義都是用嚴謹的，專業的術語表達的，對于不是這個研究范疇的科研工作者都很難看懂，更不要提通俗的非科研工作者了。至于媒體上奪人眼球的報道，純屬只是為了吸惹人注重而已。下次再看到這種題目黨的新聞就把它當當作娛樂新聞就好了。