鋰電池" title="鋰電池">鋰電池新改造：iPhone" title="iPhone">iPhone電量" title="電量">電量支撐一周" height="484" src="http://files.chinaaet.com/images/20111223/c2a5bd71-5375-49a2-a8c2-e6fb0a28a08c.jpg" width="440" />

　　經(jīng)過夾心和鉆孔處理的新型鋰離子電池,，其儲電量和充電速度比原來都提高了10倍

　　多年來,，電池一直是大多數(shù)電子消費品的薄弱環(huán)節(jié),。以智能手機為例，雖然技術(shù)日新月異,，手機已經(jīng)可以直接觀看高清影像,，但是看不了多久就要充電。筆記本電腦雖然裝上了雙核,、能夠揮灑自如地執(zhí)行多任務(wù),，但只要全力運行幾小時，內(nèi)部的電池就會耗盡,。我們都經(jīng)歷過這樣的尷尬――等待重要來電時,，手機卻沒電了；最喜歡的歌曲快要開始,，iPod的指示燈卻滅了,；死命跑到咖啡館，只為給筆記本電腦充電,。多虧美國一組科學(xué)家最近取得的突破,，這樣的尷尬將會越來越少。

　　著眼源頭,，巧用夾心

　　這個研究組來自芝加哥的西北大學(xué),，研究帶頭人是芝大化學(xué)和生物工程系的教授哈羅德,。孔博士（Harold Kung）,?？撞┦亢退耐市迹ㄟ^在電池中添加新的材料,，他們已經(jīng)能讓電池的儲電量和充電速度大大提高,。近期的《高級能量材料》（Advanced Energy Materials）雜志上刊登了對這項創(chuàng)新的介紹，執(zhí)筆的孔博士等人在文中對新技術(shù)做了詳細(xì)描述,。

　　這項研究的對象是鋰離子電池?，F(xiàn)在市場上的大多數(shù)可充電設(shè)備都靠鋰離子電池供電，以目前的技術(shù)而論,，它有兩個主要缺陷：一是電力供應(yīng)有限,，二是充電速度緩慢。眼下正有越來越多的消費者使用智能手機和平板電腦進行數(shù)據(jù)密集的操作,，比如看電影,、玩游戲、上網(wǎng)瀏覽等等,。因此,，電池的性能自然就成為了大家關(guān)注的焦點。

　　為了提高用電效率,，廠商紛紛在自己的產(chǎn)品上動起了腦筋,，例如蘋果就剛剛完成了iPhone4S的軟件更新，以解決耗電過快的問題,；不久前發(fā)明的E-MiLi技術(shù)可以阻止手機在休眠模式下搜索信號,，從而延長電池的續(xù)航能力；新問世的硅芯片可使處理器的效率倍增,，讓設(shè)備在不耗盡電池的前提下完成密集操作,；手機廠商甚至研發(fā)了透明的太陽能顯示屏貼膜，讓智能手機能在陽光中充電,。

　　以上創(chuàng)意的出發(fā)點都是提高設(shè)備的用電效率,；而孔博士等人的目標(biāo)，則是增強電池本身的性能,，從源頭上解決電力不足的問題,。

　　顧名思義，鋰離子電池就是內(nèi)部含有鋰離子的電池,。每一塊鋰離子電池的正極都安裝了好幾層名叫“石墨烯”的材料，石墨烯是層層疊疊的碳原子,，鋰離子位于這些碳層之間,，每當(dāng)電池充電或者耗電時,，它們就從一個碳層移動到另一個碳層。充電,，就是將鋰離子送往電池正極的過程,，當(dāng)所有離子都抵達正極，電池就充滿了,。而在設(shè)備投入使用的時候,，電池中的鋰離子就開始逐漸向負(fù)極移動，當(dāng)它們?nèi)康诌_負(fù)極,，電力即告耗盡,。

　　孔博士和同事的目標(biāo)是增加鋰離子電池的能量密度；換言之,，如何在電池中儲存更多能量,，以及如何更快地將能量存入取出。他們決定從改變電池正極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手,。

　　鋰離子電池的儲電量是由電池內(nèi)部的鋰離子數(shù)量決定的,。在由石墨烯組成的傳統(tǒng)鋰離子電池中，每六個碳原子可容納一個鋰原子,。為了增加儲電量,，科學(xué)家試過用硅來替換碳；硅的容量比碳大,，每四個硅原子就能容納一個鋰原子,，因此更善于儲電，但硅也有它的缺點,，就是會在充電時膨脹收縮,、發(fā)生碎裂，從而使電池迅速失去電力,。

　　為了解決這個兩難問題,，孔博士和同事想到了“夾心”的辦法：他們將細(xì)小的硅簇夾在兩層石墨烯中間。在充電和放電過程中,，石墨烯和硅簇一起膨脹,、收縮，卻又不至于破裂,。這樣一來,，不僅硅的形態(tài)得以保持穩(wěn)定，穿梭于電池中的鋰離子數(shù)量也增加到了最大,?？撞┦扛嬖V記者：“這辦法算是博采兩家之長，既用硅片提高了能量密度,，又用夾心手法減少了硅的伸縮造成的電力損失,。”

　　至此,，儲電量的問題得以圓滿解決，那么,，如何才能讓充電速度更快呢,？長久以來，鋰離子電池的充電效率一直受到石墨烯形態(tài)的制約：電池中的石墨烯片非常薄,，厚度只有一個原子,，相比之下，他的面積就顯得相當(dāng)龐大了,。充電時,，鋰離子必須繞過面前的石墨烯片才能就位，它要先向外移動到石墨烯片的邊緣處,，然后回到兩片石墨烯中間停留,，這個過程耗時漫長、頗費周張,，導(dǎo)致石墨烯片的邊緣經(jīng)常發(fā)生“交通阻塞”,。

　　有鑒于此，研究人員自然想到了疏導(dǎo)交通的方法――既然決定充電時間的是鋰離子在石墨烯層之間的移動速度,，那為何不給這些離子開辟幾條捷徑呢,？運用化學(xué)氧化過程，他們在石墨烯片上鉆出了數(shù)以百萬計的小孔,，每一個小孔的直徑都在10到20納米之間,。這樣一來，鋰離子就能更加自由地在電池中穿行,，充電速度也隨之提高了,。

　　經(jīng)過夾心和鉆孔處理的鋰離子電池，其儲電量和充電速度都提高到了原來的10倍,。

　　缺點有限,，前途無量

　　新技術(shù)雖然填補了鋰離子電池的現(xiàn)有缺陷，但它本身卻并非完美無缺――在充電150次之后,，它的儲電量和充電速度都會驟降,。但孔博士認(rèn)為缺點有限，瑕不掩瑜,，他說：“即便在經(jīng)過了一年多的使用和150次的充電之后,，新電池的效率仍比市場上現(xiàn)有的鋰離子電池高出5倍。”

　　自論文發(fā)表,、成果公布之后,，孔博士就一直忙著招架風(fēng)投公司的邀約。業(yè)界已經(jīng)等不及要將這項成果商業(yè)化，將新電池投入批量生產(chǎn)了,。參與研究的科學(xué)家則認(rèn)為新技術(shù)尚不成熟,，現(xiàn)在投產(chǎn)為時過早。他們指出,，迄今完成的工作都集中在對電池正極的改良――也就電池供電時、電流進入電池的那一極,，眼下需要的是繼續(xù)研究電流流出的負(fù)極,，以期進一步提高電池性能?？撞┦空J(rèn)為,，如果進展順利，新產(chǎn)品有望在三到五年內(nèi)走進商場,。

　　一旦投產(chǎn)上市,，它會對我們的日常生活產(chǎn)生什么影響呢？首先肯定是讓各種電子產(chǎn)品更加經(jīng)久耐用,、充起電來更加快捷,。未來的智能手機只要15分鐘就能充足電量，還能持續(xù)使用一周的時間,。

　　從另一方面看,，就算將電池的尺寸縮小為現(xiàn)在的1/10，它的性能也可保持不變,。只要見過iPad或者智能手機的電池,，就會明白電池是阻礙電子產(chǎn)品小型化的重要因素。新技術(shù)一旦推廣,，許多產(chǎn)品的體積都有望顯著縮小,，到時候，手提電腦和助聽器就再也不需要攜帶那一塊塊沉甸甸的電池了,。

　　不過,，孔博士的心底還醞釀著更大的理想。他希望這種新型充電電池能以其更大的容量,、更短的充電時間革新電驅(qū)動轎車技術(shù),。

　　“如果你的電驅(qū)動轎車不用每跑60英里（96.5公里）就充一次電，而是可以一連跑上600公里,，那么電動轎車就會比現(xiàn)在好用很多,。你不用在家充完電再上路，只要中途在加油站稍停片刻,、充個15分鐘的電就行,。如果能做到這一點，消費者接受電動車的阻力就會減小。”

　　他還指出,，高品質(zhì)的電池不僅可以推廣電動車,，還能將太陽能和風(fēng)能這些再生資源產(chǎn)生的電力儲存起來。這將使人類減少對化石燃料的依賴,，在降低大氣中的碳排放的同時,，減少對進口石油的依賴。

　　“有了儲存電力的簡單方法,，我們這個電力世代就能更加倚重那些再生資源了,。”他如此展望。