关于……完美电池的一切

电池象征着我们对便利的热爱。它们通过为我们的智能手机、笔记本电脑和汽车供电，将我们从电线中解放出来。当设备充满电时，我们可以去任何地方，做任何事。百分之百的电量感觉很安全。

但当电量耗尽时，我们就麻烦了。

好消息？工程师们正试图创造完美的电池。它高效、安全，并且以很小的空间蕴含巨大的能量。它由丰富、廉价且无毒的材料制成。它可以承受数千次充电而保持电量。它可以储存风力涡轮机和太阳能电池产生的能量。

但在这场追求中，仍有重大的障碍，其结果将决定我们的电子未来。没有更好的电池，明天的电器或替代能源的梦想将成为无休止的沮丧。也许沮丧是固有的。1883年，托马斯·爱迪生警告说，追逐完美的电池是一场徒劳的旅程：“一个骗人的把戏，一个轰动，一个公司通过股票欺骗公众的机制，”他写道。研究最新、最棒的电池会激发出一个人“潜在的撒谎能力”。

轰动还是改变游戏规则？这是你关于完美电池的指南。

电池如何工作

电池内部，涉及一种称为电解质的材料的化学反应会导致电子在负极（阳极）积聚，并在连接到正极（阴极）时流动。给电池充电会逆转这个过程——将电子送回阳极，在那里它们可以被重复利用。

让锂离子电池更好更安全的追求

在当今的电池中，锂离子电池家族占主导地位。它们被用于手机、相机、笔记本电脑和电动汽车。它们比前代产品更高效，寿命更长。由于锂是世界上最轻的金属——它甚至可以漂浮——它被用来制造轻量级电池。价格也很公道：上市25年后，由于更好的制造技术，锂离子电池的价格已经降低。

只有一个问题——大多数锂离子电池中的液体电解质可能会起火。加州大学伯克利分校的材料科学家 Gerbrand Ceder 开发了一种不含任何可燃物的固体电解质，这种电解质的寿命也可能更长。“固态电池在安全性和寿命方面都将是终极电池，”他说。

成功的两个衡量标准

1. 小巧的能量。电池通常根据它们的比能量进行比较，以瓦时/材料质量为单位。测量值越高，单位能量越大。

2. 循环次数。你可以将电池充到最高容量多少次？这也可以衡量你的电池能用多久。锂离子电池是出色的循环电池，可以充电数百次。一些研究表明，在电池中添加纳米颗粒可以加快充电时间。

电池发展：高潮与低谷

成功

• 1800年：伏打电堆。

  意大利物理学家亚历山德罗·伏打通过将不同金属（阳极、阴极）的盘片分层堆叠，并用浸有盐水的布（电解质）隔开，制造了第一个电池。该电池产生微弱但稳定的电流。

• 1859年：第一块可充电电池。

  法国物理学家加斯顿·普兰特（Gaston Planté）的铅酸电池可以用反向电流充电。这种类型至今仍用于汽车。技术没有改变，但配方得到了改进。

• 1957年：碱性电池获得专利。

  碱性电池使用碱性电解质而不是酸，它们仍然是电池世界的功臣。这些是我们到处购买的AA、AAA、C和D电池中的大多数。

• 1979-80年：第一块商业上可行的锂电池。

  工程师们展示了使用锂离子和钴阴极的可充电、高效电池。如今，它们是电子设备的首选电池。

失败

• 1915年：水下坟墓。

  在美国潜艇F-4号在太平洋沉没后，一项调查将电池罐的腐蚀归咎于事故原因。船上21人随潜艇沉没。

• 2010年：空中大火。

  UPS喷气式飞机坠毁部分归咎于易燃锂离子电池存储区域起火。

• 2012年：并非完美的完美。

  初创电池开发商 Envia，获得了投资者1100万美元的资金和政府的资助，声称其新型电动汽车电池的能量密度是现有电动汽车电池的两倍多。高管们吹嘘其续航里程可达200英里。当 Envia 和其他电池技术公司未能重现这些出色的结果时，现实来了。

材料援助

锂离子电池的两种成分锂和钴相对稀有。全球钴供应量约有一半来自饱受战争蹂躏的刚果民主共和国。我们能用更丰富、更有争议的材料制造出完美的电池吗？

钠离子电池结合了低成本和高效率，而且钠比锂和钴都更丰富。此外，它们的能量密度接近锂，并且特别适合储存风能和太阳能发电。

镁离子电池的能量可能比锂离子电池更大，而且可能更安全，但它们更难充电。伯克利科学家 Ceder 表示，这项技术仍处于起步阶段，难以预测。他将今天镁的进展与 20 世纪 80 年代锂离子电池的早期研究相提并论。

氢燃料电池也体积小，能量大。燃料电池将氢气、水和氧气结合起来产生电能。汽车制造商已开始推出由其驱动的汽车，一些州也安装了氢气加注站。但氢气仍然是一个有争议的问题。批评者指出，生产燃料电池的成本很高，而且它们储存的能量不多。

未来创新

电池的创新可以走多远？一些工程师正在从事可以重新定义我们所知的电池的项目。

量子作用：在过去的几年里，物理学家们一直在研究如何从量子比特（或量子力学系统，如亚原子粒子）中产生能量。他们的推理大致是这样的：当粒子下降到最低能量状态时，它们会释放能量。如果我们能收集到这些能量，我们就可以在电池中使用它们，并通过将它们恢复到更高的状态来充电。与普通电池不同的是，这里还有一个额外的预测量子效应：量子比特越多，充电速度越快。

生物电池：由生物供电的电池怎么样？一些细菌在进食或将糖转化为可用能量时会产生电流。去年12月，纽约州立大学宾汉姆顿分校的物理学家们推出了一种一次性纸电池，它能通过捕获的细菌产生微弱的电量。

自毁电池：爱荷华州立大学的科学家们开发了一种可在30分钟内在水中溶解的锂离子电池。一种应用可能是为体内的一次性医疗设备供电。该技术的其他版本会在暴露于热或光时导致电池损坏。