鋰離子電池被開(kāi)發(fā)至極致，尋覓下一個(gè)電池突破點(diǎn)？

假如你在智能手機(jī)上閱讀這篇文章，這意味著你正拿著一顆“炸彈”。在防護(hù)屏下，鋰（一種十分易揮發(fā)的金屬，一旦與水接觸就會(huì)被點(diǎn)燃）的化合物正在被分化，并在強(qiáng)壯的化學(xué)反應(yīng)中從頭構(gòu)建，這種化學(xué)反應(yīng)為現(xiàn)代國(guó)際供給了不可或缺的動(dòng)力。

鋰正被使用在手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦以及智能手表中，并且存在于咱們的電子煙和電動(dòng)轎車上。它身輕體軟，且歸于能量密集型物質(zhì)，這使它成為便攜式電子產(chǎn)品的完美動(dòng)力之源。可是，跟著消費(fèi)技能變得越來(lái)越強(qiáng)壯，鋰離子電池技能卻一向難以跟上腳步。現(xiàn)在，就在全國(guó)際都對(duì)鋰上癮之際，科學(xué)家們正爭(zhēng)相從頭創(chuàng)造為國(guó)際供給動(dòng)力的電池。

巨大的發(fā)光屏幕、更快的處理速度、快速的數(shù)據(jù)銜接以及輕浮的規(guī)劃時(shí)尚，這些都意味著許多智能手機(jī)的電量很難支撐運(yùn)用一整天。有時(shí)分，手機(jī)用戶甚至要多次充電。在運(yùn)用兩年后，很多設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)刻都會(huì)急劇縮短，不得不被扔進(jìn)垃圾堆。鋰的巨大優(yōu)勢(shì)也是它最大的缺點(diǎn)。它是不安穩(wěn)的，或許會(huì)爆破。鋰離子筆記本電腦電池的能量與手榴彈相差無(wú)幾。IonicMaterials創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官邁克·齊默爾曼(MikeZimmerman)說(shuō)：“口袋里有部智能手機(jī)就像口袋里揣著煤油相同?！?/p>

齊默爾曼在他坐落美國(guó)馬薩諸塞州沃本（Woburn）的公司研討試驗(yàn)室，親眼目睹了這種焚燒效果。在一項(xiàng)試驗(yàn)中，一臺(tái)機(jī)器經(jīng)過(guò)電池組驅(qū)動(dòng)釘子，電池組敏捷脹大，就像微波爐里的爆米花相同，然后發(fā)出亮堂的亮光。過(guò)去50年的電池研討一向在功能和安全性之間走鋼絲，即在不把鋰面向極端的情況下，盡或許多地?cái)D出能量。

咱們現(xiàn)在也在這樣做。據(jù)預(yù)測(cè)，到2022年，全球的電池市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到250億美元。但消費(fèi)者以為，在一項(xiàng)又一項(xiàng)的查詢中，電池續(xù)航時(shí)刻是智能手機(jī)最受關(guān)注的功用。跟著未來(lái)十年能耗更高的5G網(wǎng)絡(luò)普及，問(wèn)題只會(huì)越來(lái)越嚴(yán)峻。而對(duì)于那些能夠處理問(wèn)題的人來(lái)說(shuō)，他們將會(huì)得到巨大的報(bào)答。

IonicMaterials公司僅僅數(shù)十家公司中的一員，它們正在進(jìn)行從根本上從頭思考電池問(wèn)題的史詩(shī)比賽。不過(guò)，這場(chǎng)比賽被過(guò)錯(cuò)的初步、苦楚的訴訟以及失利的草創(chuàng)公司所困擾。但在經(jīng)過(guò)十年的緩慢開(kāi)展之后，期望仍在。國(guó)際各地的草創(chuàng)企業(yè)、大學(xué)和資金雄厚的國(guó)家試驗(yàn)室的科學(xué)家們，正在運(yùn)用雜亂的工具尋覓新資料。他們好像即將大幅進(jìn)步智能手機(jī)電池的能量密度和續(xù)航時(shí)刻，并創(chuàng)造更環(huán)保、更安全的設(shè)備，這些設(shè)備將在幾秒鐘內(nèi)完結(jié)充電，并滿足繼續(xù)全天運(yùn)用。

電池經(jīng)過(guò)分化化學(xué)物質(zhì)來(lái)發(fā)電。自從1799年意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·沃爾塔(AlessandroVolta)創(chuàng)造晰電池，用來(lái)處理關(guān)于青蛙的爭(zhēng)論以來(lái)，每塊電池都有相同的要害部件：兩個(gè)金屬電極——帶負(fù)電的陽(yáng)極和帶正電的陰極，由被稱為電解質(zhì)的物質(zhì)離隔。當(dāng)電池銜接到電路時(shí)，陽(yáng)極中的金屬原子會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它們失去一個(gè)電子，變成帶正電荷的離子，并經(jīng)過(guò)電解質(zhì)被吸引到正極。與此一起，電子（也帶負(fù)電荷）則會(huì)流向陰極?？墒撬](méi)有經(jīng)過(guò)電解質(zhì)，而是經(jīng)過(guò)電路在電池的外部傳播，為它銜接的設(shè)備供電。

陽(yáng)極上的金屬原子終究會(huì)耗盡，此刻意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，能夠經(jīng)過(guò)充電來(lái)逆轉(zhuǎn)這一進(jìn)程，從而迫使離子和電子回到原位，準(zhǔn)備再次發(fā)動(dòng)循環(huán)之旅。純金屬制成的電極無(wú)法承受原子不斷進(jìn)出的壓力而不發(fā)生坍縮，因此可充電電池有必要運(yùn)用組合資料，使陽(yáng)極和陰極經(jīng)過(guò)重復(fù)的充電循環(huán)堅(jiān)持形狀。這種結(jié)構(gòu)可被比作公寓建筑，其間有用于反應(yīng)性元素的“房間”。可充電電池的功能在很大程度上取決于你能以多快的速度在這些房間里進(jìn)出，而不會(huì)導(dǎo)致建筑物倒塌。

1977年，年青的英國(guó)科學(xué)家斯坦·惠廷漢姆(StanWhittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他締造了一個(gè)陽(yáng)極，用鋁來(lái)構(gòu)成“公寓街區(qū)的墻壁和地板”，用鋰作為活性資料。當(dāng)他給電池充電時(shí)，鋰離子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當(dāng)放電時(shí)，他們向另一個(gè)方向移動(dòng)，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)回到陰極一側(cè)的空間。

惠廷漢姆創(chuàng)造晰國(guó)際上第一個(gè)可充電的鋰電池，這種硬幣巨細(xì)的電池足以為太陽(yáng)能手表供給動(dòng)力。但當(dāng)他企圖添加電壓（使更多離子進(jìn)出）或企圖制作更大的電池時(shí)，它們就會(huì)繼續(xù)焚燒。1980年，在牛津大學(xué)工作的美國(guó)物理學(xué)家約翰·古德諾夫(JohnGoodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次國(guó)際大戰(zhàn)中擔(dān)任美國(guó)陸軍氣象學(xué)家，他也是金屬氧化物方面的專家。他置疑，與惠廷漢姆運(yùn)用的鋁化合物比較，肯定有某種物質(zhì)能為鋰供給更堅(jiān)固的牢籠。

古德諾夫指導(dǎo)兩名博士后研討人員體系性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對(duì)鋰進(jìn)行比對(duì)，看看在它們崩潰前能從其間抽出多少鋰。終究，他們確認(rèn)了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍(lán)灰色金屬。鋰鈷氧化物能夠承受半數(shù)鋰被拉出的極限。當(dāng)它被用作陰極時(shí)，這代表了電池技能向前邁出了一大步。鈷是一種更簡(jiǎn)便、廉價(jià)的資料，既適用于小型設(shè)備也適用于大型設(shè)備，并且大大優(yōu)于市場(chǎng)上的其他資料。

如今，古德諾夫的陰極幾乎出現(xiàn)在地球上的一切掌上設(shè)備中，但他并沒(méi)有從中賺到一分錢。牛津大學(xué)拒絕申請(qǐng)專利，他自己也拋棄了這項(xiàng)權(quán)力。但它改變了或許發(fā)生的工作。1991年，經(jīng)過(guò)10年的修修補(bǔ)補(bǔ)，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽(yáng)極結(jié)合在一同，企圖改善其新型CCD-TR1攝像機(jī)的電池續(xù)航時(shí)刻。這是第一款用于消費(fèi)產(chǎn)品的可充電鋰離子電池，它改變了整個(gè)國(guó)際。

鋰離子被開(kāi)發(fā)至極致，尋覓下一個(gè)電池突破點(diǎn)？

吉恩·伯迪切夫斯基(GeneBerdichevsky)曾是特斯拉的第七名職工。當(dāng)這家電動(dòng)轎車公司于2003年成立時(shí)，電池能量密度穩(wěn)步進(jìn)步現(xiàn)已繼續(xù)了十年，每年的進(jìn)步起伏約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的功能開(kāi)端趨于平穩(wěn)。在過(guò)去的七八年里，科學(xué)家們不得不竭盡全力去爭(zhēng)奪哪怕是0.5%的電池功能進(jìn)步。

其時(shí)的進(jìn)步首要來(lái)自工程和制作業(yè)的改善。伯迪切夫斯基說(shuō):“在現(xiàn)代化學(xué)反應(yīng)被運(yùn)用27年后，它們不斷承受提煉?！辟Y料更加純凈，電池制作商現(xiàn)已能夠經(jīng)過(guò)使每層都變得更薄的方法將更活躍的資料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)代電池由極薄的陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極資料的交替層組成，與銅和鋁電荷搜集器緊密地結(jié)合起來(lái)，將電子帶出電池，送到需求的當(dāng)?shù)亍?/p>

在許多高端電池中，塑料隔膜坐落陰極和陽(yáng)極之間，用來(lái)防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發(fā)厚度的1/10），這使它們很容易受到揉捏危害。這便是特種公司的安全視頻現(xiàn)在為何正告稱，假如你的手機(jī)掉進(jìn)了機(jī)械設(shè)備里，不要企圖調(diào)整座位。

對(duì)鋰離子電池的每一次改善，都需求權(quán)衡取舍。進(jìn)步能量密度會(huì)下降安全性，引入快速充電或許下降電池的循環(huán)壽數(shù)，這意味著電池的功能下降得更快。鋰離子的潛力正在挨近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來(lái)，研討人員一向在企圖尋覓下一個(gè)飛躍，包含經(jīng)過(guò)體系性地審視電池的四個(gè)首要組成部分——陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)和分離器，并運(yùn)用越來(lái)越雜亂的工具。

克萊爾·格雷(ClareGrey)是古德諾夫在牛津大學(xué)的學(xué)生，他一向在研討鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當(dāng)另一個(gè)電極。從理論上講，這些電池供給了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且繼續(xù)時(shí)刻超越幾十個(gè)周期，在試驗(yàn)室里現(xiàn)已夠困難的了，更不用說(shuō)在現(xiàn)實(shí)國(guó)際骯臟而不可預(yù)知的空氣中了。

雖然格雷宣稱最近取得了突破，但由于上述問(wèn)題，研討集體的注意力首要轉(zhuǎn)向了鋰-硫電池。它為鋰離子供給了更廉價(jià)、更強(qiáng)壯的替代品，但科學(xué)家們一向在盡力阻撓其在陰極上構(gòu)成的樹(shù)突（cathode），以及在陽(yáng)極上的硫磺因重復(fù)充電而溶解。索尼宣稱現(xiàn)已處理了這一問(wèn)題，并期望到2020年將含有鋰-硫電池的消費(fèi)類電子產(chǎn)品面向市場(chǎng)。

在曼徹斯特大學(xué)，資料學(xué)家劉旭清(XuqingLiu)是那些企圖從碳陽(yáng)極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維資料結(jié)合起來(lái)，以便擴(kuò)展外表積，從而添加鋰原子的數(shù)量。劉旭清把它比作添加一本書(shū)的頁(yè)數(shù)。這所大學(xué)還投資締造干燥的試驗(yàn)室，這將使其研討人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測(cè)驗(yàn)不同的電極和電解質(zhì)的組合。

令人難以置信的是，即便古德諾夫自己也在研討這個(gè)問(wèn)題。去年，94歲的他宣布了一篇論文，描述了一種容量是現(xiàn)有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質(zhì)疑。一位研討人員說(shuō):“假如是古德諾夫之外的其他人宣布了這篇文章，我或許就要罵娘。”

可是，雖然有成千上萬(wàn)的論文宣布，數(shù)十億美元的資金投入，數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司成立并供給資金支撐，自1991年以來(lái)，咱們大部分消費(fèi)電子產(chǎn)品的根本化學(xué)功用幾乎沒(méi)有改變。在本錢、功能和消費(fèi)性電子產(chǎn)品的便攜性方面，還沒(méi)有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺(tái)便攜式攝像機(jī)相同。

因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開(kāi)，開(kāi)端專心于研討新的電池化學(xué)反應(yīng)。他對(duì)尋覓石墨陽(yáng)極的替代品尤其感興趣，他以為這是制作更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說(shuō):“石墨的運(yùn)用現(xiàn)已有六七年了，它現(xiàn)在根本上是用在電池的熱力學(xué)容量上?！?011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(AlexJacobs)、佐治亞理工學(xué)院資料學(xué)教授格萊布·尤辛（GlebYushin）共同創(chuàng)立了SilaNanotechnologies。他們?cè)诎⒗走_(dá)的灣區(qū)辦公室有開(kāi)放式布局，以雅達(dá)利游戲命名的會(huì)議室，還有充滿熔爐和燃?xì)夤艿赖墓I(yè)試驗(yàn)室。

在查詢了一切或許的處理方案之后，三人從理論上確認(rèn)硅是最有前途的資料。他們只需求讓技能發(fā)揮作用。許多人在他們之前嘗試過(guò)，但都以失利告終。不過(guò)，伯迪切夫斯基和他的同事們對(duì)他們的成功表示樂(lè)觀。一個(gè)硅原子能夠附著4個(gè)鋰離子，這意味著與分量附近的石墨陽(yáng)極比較，一個(gè)硅陽(yáng)極能夠貯存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國(guó)國(guó)家研討院對(duì)硅陽(yáng)極資料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風(fēng)投機(jī)構(gòu)支撐的草創(chuàng)企業(yè)也是如此。

當(dāng)鋰離子在電池充電時(shí)附著在陽(yáng)極上時(shí)，它會(huì)細(xì)微脹大，然后在運(yùn)用時(shí)再次縮短。在重復(fù)的充電循環(huán)中，這種脹大和縮短破壞了固態(tài)電解質(zhì)界面層，后者是一種維護(hù)物質(zhì)，在陽(yáng)極外表構(gòu)成斑塊。這種危害會(huì)發(fā)生副作用，耗費(fèi)電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說(shuō)：“它被困在無(wú)用的垃圾里?！?/p>

跟著時(shí)刻的推移，這是智能手機(jī)開(kāi)端快速損失儲(chǔ)能的首要原因。石墨陽(yáng)極脹大和縮短約7%，因此在功能開(kāi)端急劇下滑之前，它能夠完結(jié)大約1000個(gè)充放周期。這適當(dāng)于一部智能手機(jī)繼續(xù)兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們?cè)诔潆姇r(shí)脹大的起伏要大得多（高達(dá)400%）。大多數(shù)硅陽(yáng)極經(jīng)過(guò)幾次充電循環(huán)后會(huì)發(fā)生斷裂。在試驗(yàn)室的5年多時(shí)刻里，SilaNanotechnologies創(chuàng)造了一種納米復(fù)合資料來(lái)處理脹大問(wèn)題。

伯迪切夫斯基解說(shuō)說(shuō)，假如石墨陽(yáng)極是個(gè)“公寓區(qū)”，那么一切的“房間”都是相同巨細(xì)，并且都緊緊地?cái)D在一同。經(jīng)過(guò)3萬(wàn)次迭代（不同的柱子和房間組合），他們構(gòu)成了陽(yáng)極，那里每層都有滿足的空間讓硅原子在獲取鋰時(shí)脹大。他說(shuō)：“咱們把剩余的空間困在建筑內(nèi)部。”這就處理了脹大問(wèn)題，一起堅(jiān)持陽(yáng)極的外部尺寸和形狀安穩(wěn)。

伯迪切夫斯基表示，明年SilaNanotechnologies將向制作商供給的第一代資料，將使動(dòng)力密度進(jìn)步20%，并終究進(jìn)步40%，一起也能進(jìn)步安全性。他說(shuō)：“硅能讓你遠(yuǎn)離邊緣，你能夠空出1%或2%的空間，以真實(shí)大幅進(jìn)步你的安全?！弊钪匾氖?，它也能夠直接轉(zhuǎn)換成現(xiàn)有的規(guī)劃。跟著亞洲的電池出產(chǎn)商爭(zhēng)相添加工廠產(chǎn)能，為電動(dòng)轎車時(shí)代到來(lái)做準(zhǔn)備，伯迪切夫斯基以為，任何與當(dāng)時(shí)出產(chǎn)工藝不兼容的產(chǎn)品都或許被掃除在外。他說(shuō)：“假如現(xiàn)在還不存在能夠替代鋰離子的技能，到上市的時(shí)分，它將迎來(lái)無(wú)數(shù)的用戶群?！?/p>

鋰離子電池被開(kāi)發(fā)至極致，尋覓下一個(gè)電池突破點(diǎn)？

當(dāng)電池充滿電并放電時(shí)，鋰離子在兩個(gè)電極之間舞動(dòng)，有時(shí)它們很難回來(lái)。相反，尤其是當(dāng)電池充電太快時(shí)，它們會(huì)在電極的外面集合，逐漸構(gòu)成樹(shù)枝狀的分支，就像洞穴頂部的鐘乳石。終究，這些看起來(lái)像窗玻璃上結(jié)了霜的樹(shù)突，能夠經(jīng)過(guò)電解質(zhì)一路延伸，穿透隔膜，并經(jīng)過(guò)觸碰對(duì)面的電極發(fā)生短路。

跟著各層之間的距離越來(lái)越近，這種風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)添加，犯錯(cuò)的或許性也會(huì)隨之添加。正如三星去年發(fā)現(xiàn)的那樣，犯錯(cuò)或許會(huì)造成危害，代價(jià)適當(dāng)高昂。細(xì)小的制作缺點(diǎn)曾導(dǎo)致GalaxyNote7手機(jī)電池內(nèi)部短路。在某些設(shè)備上，陽(yáng)極和陰極終究彼此接觸，這起災(zāi)難性的召回事件估計(jì)導(dǎo)致三星損失了34億歐元。IonicMaterials公司的齊默爾曼解說(shuō)道：“當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電池會(huì)變得十分熱，液體電解質(zhì)會(huì)發(fā)生熱逃逸，終究引發(fā)火災(zāi)和爆破?！?/p>

由于這種情況十分風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際上鋰離子電池中沒(méi)有那么多鋰，僅為百分之二左右。但假如有一種辦法能夠安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子里釋放出來(lái)，就像惠廷漢姆在20世紀(jì)70年代嘗試的那樣，或許會(huì)帶來(lái)添加十倍的能量密度。這被稱為電池研討的“圣杯”，齊默爾曼或許發(fā)現(xiàn)了它。

他以為電解質(zhì)實(shí)際上是添加電池能量密度的最大障礙。人們現(xiàn)已逐漸不再運(yùn)用浸在液體電解質(zhì)中的物質(zhì)，而是運(yùn)用凝膠和聚合物，但它們通常仍然是易燃的，并且對(duì)阻撓快速的熱逃逸進(jìn)程毫無(wú)幫助。齊默爾曼自己供認(rèn)，他不是一個(gè)“電池控”。他主修的專業(yè)是資料科學(xué)，尤其是聚合物，他在貝爾試驗(yàn)室和塔夫茨大學(xué)任教了14年，之后才開(kāi)端創(chuàng)業(yè)。

21世紀(jì)初，齊默爾曼開(kāi)端對(duì)可充電電池發(fā)生興趣。其時(shí)，有些人在盡力從液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)向固態(tài)電解質(zhì)。資深儲(chǔ)能科學(xué)家唐納德·海格特（DonaldHighgate）解說(shuō)說(shuō)：“原則上，由于固態(tài)電解質(zhì)電池更安全，你能夠讓它更盡力工作。同樣的使用程序，你能夠運(yùn)用更小的電池?！钡鼈兇蠖嗍翘沾苫虿Ａе破?，因此很脆，很難大規(guī)模出產(chǎn)?！?/p>

塑料現(xiàn)已在電池中被用于隔離器，即坐落電解質(zhì)中間以阻撓電極接觸的部分。齊默爾曼以為，假如他能找到適宜的資料，他就能夠拋棄液體電解質(zhì)和分離器，取而代之的是一層固體塑料，這層塑料是能夠防火的，并且還能夠防止在兩層之間成長(zhǎng)樹(shù)突。經(jīng)過(guò)IonicMaterials，齊默爾曼用一種全新的傳導(dǎo)機(jī)制創(chuàng)造了一種聚合物，它模仿了電子穿過(guò)金屬的方法。這是第一個(gè)能在室溫下導(dǎo)電鋰離子的固態(tài)聚合物。資料是靈活的，低本錢的，經(jīng)得起各式各樣的檢測(cè)。

在一次試驗(yàn)中，他們把原資料送到了彈道學(xué)試驗(yàn)室，那里通常被用來(lái)測(cè)驗(yàn)防彈背心，并用9mm的子彈來(lái)射擊它。兩根電線將電池（扁平的銀袋子）銜接到三星平板電腦上，后者的電源被小心移除。子彈擊中后，電池就像火山相同炸開(kāi)了。在慢鏡頭里，能夠看到塑料和金屬?gòu)幕鹕娇趪姵?，就像熔巖。但電池內(nèi)部沒(méi)有迸發(fā)，沒(méi)有爆破或起火。每次磕碰，設(shè)備都堅(jiān)持敞開(kāi)狀況。齊默爾曼說(shuō):“咱們一向以為聚合物會(huì)使它更安全，咱們從來(lái)沒(méi)有指望電池還能繼續(xù)工作?！?/p>

據(jù)齊默爾曼說(shuō)，這種聚合物將推動(dòng)鋰金屬的開(kāi)展，并加快選用新的電池化學(xué)物質(zhì)，如鋰-硫或鋰-空氣。但長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)或許不僅僅鋰。曼徹斯特大學(xué)的研討員劉旭清表示:“這種改善不能與設(shè)備功能的改善速度相匹配，咱們需求一場(chǎng)革新?！?/p>

在牛津郡龐大的哈韋爾科學(xué)與立異園區(qū)，也便是約翰·古德諾夫(JohnGoodenough)簽署協(xié)議宣布拋棄他在鋰離子范疇取得重大突破專利的當(dāng)?shù)?，史蒂芬·沃勒（StephenVoller）舉著一塊與飲料杯巨細(xì)和形狀相似的碳纖維。沃勒是一位和藹可親的曼城球迷，年近50歲。在加盟首個(gè)瀏覽器品牌網(wǎng)景（Netscape）公司之前，他曾在IBM擔(dān)任軟件工程師。在公司被AOL收購(gòu)后，沃勒對(duì)筆記本電腦電池續(xù)航時(shí)刻的約束越來(lái)越感到絕望，于是決定采取些措施。

沃勒的第一個(gè)主意是運(yùn)用氫燃料電池來(lái)延長(zhǎng)電池巡航時(shí)刻，但它的波動(dòng)性證明是便攜式電子產(chǎn)品無(wú)法克服的應(yīng)戰(zhàn)。他說(shuō):“讓氫氣經(jīng)過(guò)機(jī)場(chǎng)安檢是適當(dāng)困難的。”然后，經(jīng)過(guò)牛津大學(xué)的熟人，沃勒聽(tīng)說(shuō)了一些令人興奮的研討，包含功能更像超級(jí)電容器的極快充電資料。當(dāng)電池以化學(xué)方法貯存能量時(shí)，超級(jí)電容器卻可將其置于電場(chǎng)中，就像氣球上的靜電搜集相同。

超級(jí)電容器的問(wèn)題在于，它們不能像電池相同貯存那么多的能量，并且電量會(huì)很快走漏出去。假如你不經(jīng)常運(yùn)用，鋰離子電池的放電可繼續(xù)2周，而超級(jí)電容器只能堅(jiān)持?jǐn)?shù)小時(shí)。許多業(yè)內(nèi)人士以為，將超級(jí)電容器與電池結(jié)合起來(lái)，或許對(duì)智能手機(jī)和其他耗電的消費(fèi)科技產(chǎn)品有利。海格特表示，超級(jí)電容器能夠被用來(lái)制作一、兩分鐘內(nèi)就能充滿電的混合手機(jī)，并且還能夠作為備用的鋰離子電池。他說(shuō):“假如你能夠十分快速的充電，你能夠把它放在感應(yīng)圈上，在你拌和咖啡的時(shí)分充電。”

沃勒以為，他能夠做得更好。2013年，他創(chuàng)立了ZapGo，該公司正在開(kāi)發(fā)碳基電池，其充電速度與超級(jí)電容器相同快，但充電時(shí)刻與鋰離子電池差不多。到2017年11月，該公司的職工已增至22人，分別在哈韋爾的盧瑟福德阿普爾頓試驗(yàn)室和北卡羅來(lái)納州夏洛特的辦公室工作。它的第一個(gè)消費(fèi)電池將被用在今年年底推出的第三方產(chǎn)品上，包含用于轎車的助推起動(dòng)設(shè)備，以及充電時(shí)刻從8小時(shí)縮短至5分鐘的電動(dòng)滑板車。

沃勒手里拿著的那塊碳纖維是一塊電池，運(yùn)用了固態(tài)電解質(zhì)，不會(huì)著火。兩個(gè)電極是由薄層鋁制成的，上面覆蓋著納米結(jié)構(gòu)的碳，用來(lái)添加外表積。沃勒說(shuō)：“你期望它看起來(lái)像喜馬拉雅山?！彪m然在顯微鏡下，它更像是城市天際線的輪廓。ZapGo技能的要害在于進(jìn)步功率和減少漏電量，首要是經(jīng)過(guò)保證電解液無(wú)縫地與上面的碳天際線相吻合，就像尼龍搭扣相同。

碳基電池的最大優(yōu)勢(shì)是長(zhǎng)壽。由于ZapGo的電池存儲(chǔ)更像氣球，而不是傳統(tǒng)的電池。正如沃勒所說(shuō)“沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)”，他宣稱新電池能夠繼續(xù)10萬(wàn)個(gè)放電周期，這是鋰離子電池的100倍。即便每天給手機(jī)充電，也能夠運(yùn)用30年?，F(xiàn)在的第三代ZapGo電池還沒(méi)有強(qiáng)壯到能夠運(yùn)行智能手機(jī)的地步，但由于運(yùn)用的資料沒(méi)有供給添加電壓的障礙，沃勒預(yù)計(jì)這種電池將在2022年，也便是“iPhone15前后”投入使用。

這需求改變充電基礎(chǔ)設(shè)施。許多爆破事件被歸咎于廉價(jià)的第三方充電器，而這些充電器沒(méi)有阻撓爆破所需的電子設(shè)備。對(duì)于ZapGo的電池，或許任何根據(jù)超級(jí)電容的體系，你需求一個(gè)充電器來(lái)做相反的工作——從電網(wǎng)中汲取和貯存能量，然后在短時(shí)刻內(nèi)把它送到你的手機(jī)上。在試驗(yàn)室里，沃勒的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已制作出了筆記本電腦巨細(xì)的電源，但他們正在盡力使它變得更小、更高效。

包含戴森規(guī)劃工程學(xué)院的薩姆·庫(kù)珀(SamCooper)在內(nèi)的許多人質(zhì)疑，這些公司是否真的期望在產(chǎn)品中植入能繼續(xù)運(yùn)用如此之久的附件。庫(kù)珀說(shuō)：“手機(jī)公司有個(gè)清晰的利潤(rùn)激勵(lì)，便是要在下次發(fā)布時(shí)讓老款設(shè)備及時(shí)停產(chǎn)。為此，研發(fā)更好電池的比賽或許根本不存在?！蔽掷展┱J(rèn)，ZapGo持有的大約30項(xiàng)專利中，有一種辦法可人為地下降電池的運(yùn)用壽數(shù)，阻撓它們繼續(xù)運(yùn)用30年。他說(shuō)：“咱們不會(huì)這么做，但假如客戶樂(lè)意，咱們有能力供給給他們。”

與現(xiàn)有技能比較，碳基儲(chǔ)能技能還有另一個(gè)首要優(yōu)勢(shì)。它實(shí)際上能夠作為手機(jī)外部結(jié)構(gòu)運(yùn)用。沃勒并沒(méi)有規(guī)劃出適合當(dāng)時(shí)手機(jī)規(guī)劃的電池，而是在為柔性屏幕和可折疊設(shè)備的未來(lái)做準(zhǔn)備。在5G網(wǎng)絡(luò)下，咱們一切的數(shù)據(jù)都來(lái)自云端，電池續(xù)航時(shí)刻變得更加重要。

沃勒沿著他辦公室狹隘的走廊走著，走到午后的陽(yáng)光下，穿過(guò)DiamondLightSource的暗影，這是個(gè)巨大的環(huán)形建筑，看起來(lái)像是外星飛船降落在牛津郡的鄉(xiāng)村。在內(nèi)部，研討人員正在使用加快光束在微觀尺度上對(duì)潛在的電池資料進(jìn)行研討，探求為何鋰-硫電池會(huì)失利，以及尋覓替代資料以獲得陽(yáng)極和陰極，這些問(wèn)題現(xiàn)已困擾了這個(gè)范疇近30年。

沃勒在空中揮舞著他的智能手機(jī)，哀嘆著鋰離子電池的缺點(diǎn)，正是這些缺點(diǎn)促使他和其他數(shù)百人加入了這場(chǎng)高風(fēng)險(xiǎn)的比賽，以期從頭創(chuàng)造這些絕好卻又存在缺點(diǎn)的電池。他說(shuō):“咱們都有必要擬定策略來(lái)應(yīng)對(duì)這種情況，不管是背夾式電池，還是帶著兩部手機(jī)，這都太瘋狂了，工作不該該是那樣的?！?/p>