新技术改造锂电池：将能支撑iPhone一周

多年来，电池一直是大多数电子消费品的薄弱环节。以智能手机为例，虽然技术日新月异，手机已经可以直接观看高清影像，但是看不了多久就要充电。笔记 本电脑虽然装上了双核、能够挥洒自如地执行多任务，但只要全力运行几小时，内部的电池就会耗尽。

我们都经历过这样的尴尬――等待重要来电时，手机却没电 了；最喜欢的歌曲快要开始，ipod的指示灯却灭了；死命跑到咖啡馆，只为给笔记本电脑充电。多亏美国一组科学家最近取得的突破，这样的尴尬将会越来越 少。

着眼源头，巧用夹心

这个研究组来自芝加哥的西北大学，研究带头人是芝大化学和生物工程系的教授哈罗德.孔 博士（Harold  Kung）。孔博士和他的同仁宣布，通过在电池中添加新的材料，他们已经能让电池的储电量和充电速度大大提高。近期的《高级能量材料》（Advanced Energy Materials）杂志上刊登了对这项创新的介绍，执笔的孔博士等人在文中对新技术做了详细描述。

这项研究的对象是锂离 子电池。现在市场上的大多数可充电设备都靠锂离子电池供电，以目前的技术而论，它有两个主要缺陷：一是电力供应有限，二是充电速度缓慢。眼下正有越来越多 的消费者使用智能手机和平板电脑进行数据密集的操作，比如看电影、玩游戏、上网浏览等等。因此，电池的性能自然就成为了大家关注的焦点。为了提高用电效 率，厂商纷纷在自己的产品上动起了脑筋，例如苹果就刚刚完成了iPhone 4S的软件更新，以解决耗电过快的问题；不久前发明的E-MiLi技术可以阻止手机在休眠模式下搜索信号，从而延长电池的续航能力；新问世的硅芯片可使处 理器的效率倍增，让设备在不耗尽电池的前提下完成密集操作；手机厂商甚至研发了透明的太阳能显示屏贴膜，让智能手机能在阳光中充电。

以上创意的出发点都是提高设备的用电效率；而孔博士等人的目标，则是增强电池本身的性能，从源头上解决电力不足的问题。

顾名思义，锂离子电池就是内部含有锂离子的电池。每一块锂离子电池的正极都安装了好几层名叫“石墨烯”的材料，石墨烯是层层叠叠的碳原子，锂离子位于这些碳层之间，每当电池充电或者耗电时，它们就从一个碳层移动到另一个碳层。充电，就是将锂离子送往电池正极的过程，当所有离子都抵达正极，电池就充满了。而在设备投入使用的时候，电池中的锂离子就开始逐渐向负极移动，当它们全部抵达负极，电力即告耗尽。

孔博士和同事的目标是增加锂离子电池的能量密度；换言之，如何在电池中储存更多能量，以及如何更快地将能量存入取出。他们决定从改变电池正极的内部结构着手。

锂 离子电池的储电量是由电池内部的锂离子数量决定的。在由石墨烯组成的传统锂离子电池中，每六个碳原子可容纳一个锂原子。为了增加储电量，科学家试过用硅来 替换碳；硅的容量比碳大，每四个硅原子就能容纳一个锂原子，因此更善于储电，但硅也有它的缺点，就是会在充电时膨胀收缩、发生碎裂，从而使电池迅速失去电 力。

为了解决这个两难问题，孔博士和同事想到了“夹心”的办法：他们将细小的硅簇夹在两层石墨烯中间。在充电和放电过程中，石墨烯和硅簇一 起膨胀、收缩，却又不至于破裂。这样一来，不仅硅的形态得以保持稳定，穿梭于电池中的锂离子数量也增加到了最大。孔博士告诉记者：“这办法算是博采两家之 长，既用硅片提高了能量密度，又用夹心手法减少了硅的伸缩造成的电力损失。”

至此，储电量的问题得以圆满解决，那么，如何才能让充电速度更 快呢？长久以来，锂离子电池的充电效率一直受到石墨烯形态的制约：电池中的石墨烯片非常薄，厚度只有一个原子，相比之下，他的面积就显得相当庞大了。充电 时，锂离子必须绕过面前的石墨烯片才能就位，它要先向外移动到石墨烯片的边缘处，然后回到两片石墨烯中间停留，这个过程耗时漫长、颇费周张，导致石墨烯片 的边缘经常发生“交通阻塞”。

有鉴于此，研究人员自然想到了疏导交通的方法――既然决定充电时间的是锂离子在石墨烯层之间的移动速度，那为 何不给这些离子开辟几条捷径呢？运用化学氧化过程，他们在石墨烯片上钻出了数以百万计的小孔，每一个小孔的直径都在10到20纳米之间。这样一来，锂离子 就能更加自由地在电池中穿行，充电速度也随之提高了。

经过夹心和钻孔处理的锂离子电池，其储电量和充电速度都提高到了原来的10倍。

缺点有限，前途无量

新技术虽然填补了锂离子电池的现有缺陷，但它本身却并非完美无缺――在充电150次之后，它的储电量和充电速度都会骤降。但孔博士认为缺点有限，瑕不掩瑜，他说：“即便在经过了一年多的使用和150次的充电之后，新电池的效率仍比市场上现有的锂离子电池高出5倍。”

自 论文发表、成果公布之后，孔博士就一直忙着招架风投公司的邀约。业界已经等不及要将这项成果商业化，将新电池投入批量生产了。参与研究的科学家则认为新技 术尚不成熟，现在投产为时过早。他们指出，迄今完成的工作都集中在对电池正极的改良――也就电池供电时、电流进入电池的那一极，眼下需要的是继续研究电流 流出的负极，以期进一步提高电池性能。孔博士认为，如果进展顺利，新产品有望在三到五年内走进商场。

一旦投产上市，它会对我们的日常生活产生什么影响呢？首先肯定是让各种电子产品更加经久耐用、充起电来更加快捷。未来的智能手机只要15分钟就能充足电量，还能持续使用一周的时间。

从 另一方面看，就算将电池的尺寸缩小为现在的1/10，它的性能也可保持不变。只要见过iPad或者智能手机的电池，就会明白电池是阻碍电子产品小型化的重 要因素。新技术一旦推广，许多产品的体积都有望显著缩小，到时候，手提电脑和助听器就再也不需要携带那一块块沉甸甸的电池了。

不过，孔博士的心底还酝酿着更大的理想。他希望这种新型充电电池能以其更大的容量、更短的充电时间革新电驱动轿车技术。

“如果你的电驱动轿车不用每跑60英里（96.5公里）就充一次电，而是可以一连跑上600公里，那么电动轿车就会比现在好用很多。你不用在家充完电再上路，只要中途在加油站稍停片刻、充个15分钟的电就行。如果能做到这一点，消费者接受电动车的阻力就会减小。”

他还指出，高品质的电池不仅可以推广电动车，还能将太阳能和风能这些再生资源产生的电力储存起来。这将使人类减少对化石燃料的依赖，在降低大气中的碳排放的同时，减少对进口石油的依赖。

“有了储存电力的简单方法，我们这个电力世代就能更加倚重那些再生资源了。”他如此展望。

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