電池接班人大討論

我們幾乎每天都能聽(tīng)到身邊的朋友抱怨：智能手機(jī)功能太弱，MP3播放器續(xù)航能力太爛等問(wèn)題。而造成上述問(wèn)題的罪魁禍?zhǔn)?，并非?a target="_blank">芯片發(fā)展速度太慢，而是電池容量制約。無(wú)論是電池容量還是充電速度，都是困擾一切電子移動(dòng)設(shè)備的最大難題——一部性能超強(qiáng)但卻只能使用30分鐘的筆記本注定 只能得到極少數(shù)狂熱發(fā)燒友的青睞。

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相對(duì)于電子產(chǎn)品遵循的摩爾定律來(lái)說(shuō)，電子產(chǎn)品的供電設(shè)計(jì)足以稱得上是活化石。自二十年前，筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備就開(kāi)始采用鋰電池作為電源，在這漫長(zhǎng)的二十年里鋰電池僅僅在容量上獲得了緩慢的增長(zhǎng)，在安全性和充電速度上幾乎原地踏步。面對(duì)層出不窮的電子產(chǎn)品，傳統(tǒng)的電池技術(shù)終究會(huì)因?yàn)闊o(wú)法滿足需求而被淘汰。究竟有多少種新技術(shù)能讓鋰電池走進(jìn)歷史？未來(lái)我們又將過(guò)上什么樣的移動(dòng)數(shù)字生活？本期新技術(shù)研習(xí)社，就帶大家一起檢閱鋰電池的接班人。

鋰電池接班人一號(hào)：銀鋅電池

也許你是第一次聽(tīng)說(shuō)銀鋅電池這個(gè)名詞，但這并不妨礙銀鋅電池的電池鼻祖地位。早在1800年春季，意大利科學(xué)家伏打（Volta）就發(fā)明了著名的“伏打電池”。這種電池是由一系列圓形鋅片和銀片相互交迭而成的裝置，在每一對(duì)銀片和鋅片之間，用一種在鹽水或其他導(dǎo)電溶液中浸過(guò)的紙板隔開(kāi)。銀片和鋅片是兩種不同的金屬，鹽水或其他導(dǎo)電溶液作為電解液，它們構(gòu)成了電流回路。這是一種比較原始的電池，是由很多銀鋅電池連接而成的電池組。如你所知，這便是所有電池的雛形。

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經(jīng)過(guò)了200多年的更迭，銀鋅電池至今仍然出現(xiàn)在我們的手表、計(jì)算器等低耗電設(shè)備中。既然銀鋅電池有那么久遠(yuǎn)的歷史，為什么至今才被當(dāng)作鋰電池最有希望的接班人推出？其實(shí)自問(wèn)世以來(lái)，民用的銀鋅電池就只能提供較低的電壓和電流，電池容量也相當(dāng)小。普通的鋅銀電池的正極是氧化汞加石墨，或者是氧化銀加石墨，負(fù)極材料是金屬鋅，電解質(zhì)是強(qiáng)堿氫氧化鉀。普通銀鋅電池性能穩(wěn)定，不可充電，占據(jù)了紐扣電池市場(chǎng)的半壁江山。在上世紀(jì)七十年代，人們才開(kāi)發(fā)出了銀鋅蓄電池。銀鋅蓄電池正極采用Ag2O2 + 2H2O + 4e- ? 2Ag + 4OH-，負(fù)極采用2Zn + 4OH- ? 2Zn(OH)2 + 4e-，可以擁有極高的電容量和穩(wěn)定的電池性能。大容銀鋅蓄電池價(jià)格驚人，在當(dāng)今的航天飛機(jī)、導(dǎo)彈、魚(yú)類(lèi)等尖端領(lǐng)域才能找到大容量銀鋅蓄電池的身影。

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最初的銀鋅電池原型

對(duì)于數(shù)碼設(shè)備來(lái)說(shuō)，在不考慮成本的情況下，銀鋅電池將會(huì)使最佳的選擇。為了實(shí)現(xiàn)銀鋅電池低價(jià)化的目標(biāo)，一家叫做Zinc Matrix的公司自1999年開(kāi)始就在風(fēng)險(xiǎn)投資的助力下開(kāi)發(fā)低成本長(zhǎng)壽命的銀鋅充電電池。經(jīng)過(guò)了幾年的努力，在2006年Intel信息技術(shù)峰會(huì)上，Zinc Martix展出了它們首個(gè)民用銀鋅充電電池原型。初次展出的該款電池只有1.6V電壓，但電池容量可以達(dá)到10AH。在隨后的兩年間，Zinc Martix改名為ZPower，繼續(xù)從事銀鋅電池的改良設(shè)計(jì)。2008年5月ZPower公司宣布旗下的銀鋅充電電池在同等體積下能獲得超過(guò)鋰電池30%~40%的電容量，并且較后者更安全耐用。預(yù)計(jì)首款采用ZPower銀鋅充電電池的筆記本電腦將會(huì)在2009年全面上世。

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電池結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)ZPower公司透露它們的銀鋅充電電池采用了獨(dú)家的銀鋅聚合物正極以及多層隔離膜，前者能很大程度上避免點(diǎn)擊產(chǎn)生結(jié)晶，延長(zhǎng)電池壽命。后者則用于阻止產(chǎn)生的結(jié)晶直接穿透正負(fù)極導(dǎo)致電池短路爆炸。在負(fù)極設(shè)計(jì)上，ZPower可充電銀鋅電池采用的是納米銀微粒，可以有效提升導(dǎo)電能力以及降低電池內(nèi)阻，從而獲得更大的電容量和更高的放點(diǎn)能力。
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幾天前ZPower展出的銀鋅筆記本用鋰電池

更高的電容量、更安全的電池設(shè)計(jì)加上更快的充電速度，銀鋅充電電池如果能盡快解決使用壽命和成本問(wèn)題，將會(huì)成為鋰電池的最佳替代品。在我們幾天前的新聞中，Zpower表示2009年部分筆記本電腦將會(huì)采用銀鋅充電電池以獲得更長(zhǎng)的續(xù)航能力。

鋰電池接班人二號(hào)：燃料電池

無(wú)論是銀鋅電池還是鋰電池，它們都無(wú)法擺脫充電的詛咒——電池容量越大，充電時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，頻繁的充電是限制續(xù)航能力的重要因素。另一方面，在大街或者交通工具上，消費(fèi)者也很難找到可以充電的地方。為此，被稱作終極電池的燃料電池浮出水面。業(yè)界大量電池廠商包括三洋、索尼、東芝等廠商，都在燃料電池領(lǐng)域投入巨資，希望能開(kāi)發(fā)出適用于電子設(shè)備的燃料電池，從而徹底解決電池的充電難題。

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燃料電池原理圖

?燃料電池，顧名思義即靠燃料驅(qū)動(dòng)的電池。早在1839年，英國(guó)人W.Grove就提出了氫和氧反應(yīng)可以發(fā)電的原理，這就是最早的氫-氧燃料電池(Fuel Cell)。通常燃料所產(chǎn)生的能量是以能釋放的，而燃料電池不釋放熱能，它是將其分解成氫離子和電子而轉(zhuǎn)化成電能。

經(jīng)過(guò)了近200年的發(fā)展，當(dāng)今研發(fā)的燃料電池幾乎都使用液體甲醇為燃料。在燃料電池內(nèi)部，液體甲醇在分解的過(guò)程中僅僅產(chǎn)生水、二氧化碳和熱能，并且會(huì)被電池的釋放孔釋放。真正將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的部件，實(shí)際上是燃料電池中的碳精和高分子電解質(zhì)膜。在燃料電池工作時(shí)，甲醇會(huì)因?yàn)殂K金的觸媒作用被分解為氫離子和點(diǎn)子，由于電解質(zhì)膜只能通過(guò)氫離子，所以電子會(huì)被質(zhì)膜攔截后經(jīng)過(guò)炭精被導(dǎo)向負(fù)極產(chǎn)生電流。與此同時(shí)，氫離子經(jīng)過(guò)質(zhì)膜后會(huì)被倒入到正極與空氣中的氧結(jié)合成水蒸汽，然后通過(guò)電池的釋放口排除電池外。燃料電池的工作原理決定了電池獲得電能的同時(shí)既不損耗電池，也不影響環(huán)境。只要補(bǔ)充消耗掉的甲醇就能產(chǎn)生同量的電能。?

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Maxell開(kāi)發(fā)高分子高電容量的燃料電池

?和普通電池相比，燃料電池具有驚人的能量密度。相同體積的燃料電池，電量是鋰電池的數(shù)倍。鋰電池?zé)o論生產(chǎn)還是丟棄都會(huì)污染環(huán)境，而燃料電池則兼?zhèn)淞藷o(wú)污染、高效率、適用廣、無(wú)噪聲和具有連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)，燃料電池工作的副產(chǎn)品只有水和熱量，無(wú)噪音，基本無(wú)污染，效率比起一般的發(fā)電系統(tǒng)高得多，達(dá)到43～58%，如果把反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也利用上，效率可以高達(dá)80%！是一種清潔環(huán)保的電源。比起常用的鋰電池和聚合物鋰電池要干凈和環(huán)保得多。
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?雖然燃料電池的各種設(shè)計(jì)堪稱完美，但近10年來(lái)，燃料電池始終無(wú)法在成本和體積上獲得突破。在成本方面，燃料電池采用的鉑金售價(jià)驚人，而由于需要預(yù)留裝載甲醇的空間和反應(yīng)空間，燃料電池的體積大多相當(dāng)驚人。進(jìn)入2008年，兩家日本廠商SONY和夏普幾乎同時(shí)宣布在燃料電池研發(fā)上獲得突破。它們各自開(kāi)發(fā)出了體積只有火柴盒大小，可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的電池產(chǎn)品。夏普的新款燃料電池的大小為１８立方厘米，輸出功率達(dá)到以往同類(lèi)產(chǎn)品的７倍。與輸出功率相當(dāng)?shù)?a target="_blank">鋰離子電池相比新款燃料電池的體積縮小了約２０％，重量降低了約６０％，有望安裝在手機(jī)等小型設(shè)備內(nèi)部。

就在日本廠商努力實(shí)現(xiàn)燃料電池小型化的同時(shí)，美國(guó)燃料電池制造商MTI MicroFuel Cells(MTI Micro)公司也在燃料電池小型化和實(shí)用化技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展。 MTI Micro開(kāi)發(fā)出的基于Mobion技術(shù)的直接甲醇燃料電池（DMFC）原型不僅可提供比相同尺寸的鋰電池高出一倍的電能，而且允許在移動(dòng)狀態(tài)下為燃料電池進(jìn)行充電。MTI Micro公司已在今年二月底的日本國(guó)際燃料電池展覽會(huì)上展示了可與當(dāng)今商用化單反數(shù)碼相機(jī)尺寸相配的燃料電池原型，與相同尺寸的單反數(shù)碼相機(jī)用鋰電池相比，它可提供兩倍的電能。

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MT Micro最引人矚目的技術(shù)貢獻(xiàn)是開(kāi)發(fā)出了一種循環(huán)利用燃料電池副產(chǎn)品水的方法，從而消除了燃料電池需要有開(kāi)孔釋放二氧化碳和水蒸氣的設(shè)計(jì)難題。除此以外，MTI Micro的軟料電池還首次能在燃料電池工作的狀態(tài)下添加甲醇，從而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)設(shè)備無(wú)間斷工作的夢(mèng)想。業(yè)界普遍認(rèn)為，燃料電池將會(huì)在2009年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，開(kāi)始替代傳統(tǒng)電池的征途。在這以前，我們不僅需要解決燃料電池的技術(shù)限制，還需要構(gòu)建甲醇等燃料的生產(chǎn)線，以及解決甲醇在運(yùn)輸和存儲(chǔ)時(shí)安全性。

鋰電池：我還沒(méi)死你們著急啥
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面對(duì)銀鋅電池和燃料電池的挑戰(zhàn)，鋰電池真的走到了窮途末路了嗎？答案絕對(duì)是否定的。在過(guò)去的幾年間，鋰電池雖然事故頻發(fā)，但仍然有不少?gòu)S商在努力改良鋰電池，希望它能具有更高的安全性和更大的電量。

根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IB)和聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IP)兩大類(lèi)。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同, 鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì), 而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來(lái)代替, 這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。

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由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問(wèn)題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個(gè)電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50％以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比鋰離子電池有所提高。在業(yè)界關(guān)注安全性方面由于采用了固態(tài)材料作為電解液，聚合物鋰離子電池不會(huì)因?yàn)楸欢搪坊蛘咂渌虬l(fā)生爆炸或者燃燒，也不會(huì)因?yàn)楣ぷ鳒囟鹊奶嵘鴵p壞。

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鋰聚合物電池

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雖然聚合物鋰電池有著壓倒性的優(yōu)勢(shì)，但是在成熟度和成本控制方面依然和主流的液態(tài)鋰電池有著明顯的差距。當(dāng)今的液態(tài)鋰電池生產(chǎn)成本低，工藝成熟，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種厚度的電池生產(chǎn)。而聚合物鋰電池在生產(chǎn)成本上遠(yuǎn)高于前者，特別是在筆記本電腦電池之類(lèi)的需要多顆電芯并聯(lián)的場(chǎng)合中，采用聚合物鋰電池所帶來(lái)的高昂價(jià)格并不是所有人都能接受的。進(jìn)入2008年，鋰聚合物電池電池售價(jià)開(kāi)始大幅下滑，有望逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池。

除了改良安全性，鋰電池的容量和充電速度方面也有了巨大的進(jìn)步。包括聯(lián)想、Dell等廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出30分鐘甚至更快充電時(shí)間的鋰電池。在銀鋅電池和燃料電池最終成數(shù)前，鋰電池仍將繼續(xù)發(fā)展，成為我們移動(dòng)設(shè)備最主要的電力來(lái)源
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結(jié)語(yǔ)

從鎳鎘電池到鋰電池，我們見(jiàn)證了充電電池在性能和壽命上的蛻變。進(jìn)入一切皆移動(dòng)的數(shù)字時(shí)代，我們甚至需要電池能提供源源不斷的供電能力以及無(wú)需等待的充電時(shí)間。面對(duì)銀鋅電池和燃料電池的不斷發(fā)展，我們的數(shù)字生活必將因?yàn)殡娫吹母a(chǎn)生翻天覆地的變化。也許過(guò)不了幾年，我們就不再需要為筆記本續(xù)航能力擔(dān)心，充一次電用幾個(gè)月的手機(jī)也不在是天方夜譚。一個(gè)告別“電力短缺”的新時(shí)代正快步向我們走來(lái)。