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為什麼電池技術發展的這麼慢？

作者：RightSouth 於 2015-5-31 23:08 發表於最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:網路文摘|已有6評論

從蘋果iPhone手機到豐田普銳斯混合動力車，電子設備的發展可謂日新月異。但十多年來，為這些設備提供動力的電池技術卻裹足不前。為探究其原因，《財富》向幾位研究人員，行為經濟學家和電池行業高管提出了一個簡單的問題：為什麼電池技術的發展速度要比硬體慢這麼多？

回顧一下蘋果公司的iPhone或豐田 (Toyota) 普銳斯（Prius）混合動力車從最初型號到現有版本的發展過程，人們會發現技術行業一個常見的軌跡：性能翻倍提升，產品更精緻，創造了無數就業崗位，甚至顛覆了整個行業。

iPhone在蜂窩網路中最大的理論下載速度已從2007年「2G」 iPhone 的1兆位元組/秒上升至如今 5s 型號的300兆位元組/秒。其顯示屏的像素密度增加了一倍多，攝像頭已從廉價的配件轉變為一種實用的照相工具，而且其軟體能力要比 iPhone 誕生之時強大太多太多（即便是蘋果應用商店如今也已發展到第二代了）。

同樣，豐田的普銳斯混合動力車從2000年的鄰家怪胎（以及明星彰顯其環保態度的配飾）搖身一變為日本和加州最暢銷的交通工具。當前車型引擎的重量較最初型號輕了20%（總功率增加了20%），而且單次充電後行駛的里程更長。有人會說，沒有普銳斯，就不會有如今的特斯拉電動車（Tesla）。

然而在這些設備中，有一個組件這些年來一直沒有變化，那就是鋰離子電池。不管是在 iPhone，還是普銳斯，甚至是特斯拉S車型，鋰電池用的還是1991年索尼公司 (Sony) 推出這一產品時所用的材料。當然，這並不是說人們沒有針對這種電池進行過創新。設備製造商在充電效率、冷卻、和控制進入手機、汽車、筆記本和USB元件的電流流量方面做得越來越好，但這些電池的芯卻沒有怎麼換過。即便是特斯拉計劃建造的50億美元超大型電池生產廠生產的仍是鋰電池組。

進一步的調查發現，人們對於哪一種電池技術可能能夠取代鋰電池仍是眾說紛紜，甚至連這方面的謠言都是寥寥無幾。

為探究其原因，(Fortune) 向致力於開發下一代電池的5名知名研究人員、一名行為經濟學家和一名電池行業高管提出了一個簡單的問題：為什麼電池技術的發展速度要比硬體慢如此之多？

接下來你便會發現，答案的一成與化學有關，一成與心理學有關，而兩成則與上述問題的反問有關：對於一項未經過二十年發展的新電池技術，一旦裝上汽車，誰想成為首位駕駛該車的人？

當今的電池技術：密度大、發熱量大、問題多
鋰離子電池技術在很多方面都是移動電源的主力軍。鋰的原子量是3，如果你還記得中學化學的話，這意味著它有三個質子，非常輕，是除了氫和氦之外單位體積可填充密度最高的元素。芝加哥伊利諾伊州理工大學 (Illinois Institute of Technology) 物理學教授卡洛•塞格雷表示，鋰的物理量為化學家們所熟知，我們幾乎掌握了鋰離子在電池中流動的方式。鋰的優勢在於，它非常輕，而且能夠輕易地穿透隔離膜。而且其產生的電壓是已知材料中最高的之一。

鋰並不是鋰電池裡的唯一材料，其中還混有錳、磷酸鐵和其他金屬。為了產生電壓，這種混合物會流經另一種材料：石墨、鈦溶液、硅和不同形式的碳（依情況而定）。但是這一過程會在一個高密度空間內產生熱量，需要採取一些冷卻措施（例如，與特斯拉車身長度相當的液態冷卻設備擔負了大量的冷卻工作）。傳導鋰離子的電解液增加了電池的重量。電芯的容量在一段時間后就會下降。充電會讓鋰離子迴流。充滿電解質的高密度鋰電池在發熱量超過一定程度之後有時會爆漿或爆炸，雖然這一情況很少見。

今後我們可能會使用空氣
IBM研究院 (IBM Research) 科技部主任錢德拉塞卡爾•納拉延是電池500項目 (Battery 500 Project) 的成員。該項目的目標是，開發能夠提供行駛500英里路程所需電量的電池。IBM公司自身並不生產電池，而是與消費類產品製造商開展合作，將這一技術帶到現實中。

經過多年的努力之後，納拉延看到了鋰-空氣技術的前景，即用汽車自身補給的氧氣取代石墨和其他的金屬。這類電池可以變得更輕，更安全，而且供電時間也更長。但是研發新的混合物，將它們製成新材料，並檢測其在數千輛汽車上的安全性，需要花費非常漫長的時間。

納拉延說：「要得到這種範式，沒有捷徑可以走，我們唯有創建一種全新的化學反應，而這一點並非創新所能企及的。」

未來我們能做什麼：納米工程材料
德克薩斯農工大學（A&M University）教授、美國機械工程師協會（American Society of Mechanical Engineers）能源和可持續性納米工程小組成員帕沙•穆克荷吉表示，現在還沒到放棄鋰離子電池的時候。我們可能仍會用它，但它將與我們在實驗室中獲得新能力的材料混合使用。

納米工程師可能會對電池材料的分子結構進行深入研究，以加速電池單元電壓的產生速度，並提升其轉換效率。電解質攜帶鋰離子的方式可能會發生改變，以杜絕「交通擁堵現象」，並縮短充電時間。人們可能會設計出更薄、更強大但伸縮依然自如的電池膜，這樣，即便電池受熱膨脹，也不會爆漿。

與此同時：著眼於長遠
一年前，伊利諾伊理工大學的塞格雷從美國能源部獲得了340萬美元的獎金，用於開發汽車用「流體電池」。流體電池將其活性化合物儲存在外部儲罐中，然後流經電池結構內部。塞格雷的工作專註於開發具有足夠活性和能量的液體介質，以抵消液體的重量劣勢。

流體電池或許可以應用於汽車和電網，但卻無法適用於手機或筆記本。與其他的研究人員一樣，塞格雷深知，這將是一個漫長的實驗過程，除非研究人員能夠在偶然間發現幾種能用於電池的不同材料組合。與此同時，「對於大多數人來說，這是一件尤為痛苦的事情，因為幾年過後，電量沒了，容量也下降了，然而電池供電的電子產品卻在不斷前進。」

過去幾十年中，我們一直生活在摩爾定律（Moore's Law）當中。根據該定律，處理器中的晶體管數量每兩年會翻一番，而這也說明了技術進步的穩定性。我們目前所面臨的局勢是，晶體管尺寸已接近原子水平，晶元無法容納更多的處理器，而且我們對設備中一成不變的電池感到不滿。

斯特拉赫維茨說：「適應升級很容易，得到的升級越多，對進一步升級的期望也就越大。在這個電子產品越來越好，性能越來越高的世界中，我們覺得這是我們應享有的權利。我們會問，『為什麼電池不能變得更好呢？』」