我們正在展望一個(gè)廣泛利用清潔能源的新時(shí)代。作為這個(gè)時(shí)代的標(biāo)志性場景之一，人們希望看到滿街跑著的都是類似特斯拉電動(dòng)車這樣的新型轎車，它不再需要汽油，而是用蓄滿了電的鋰電池驅(qū)動(dòng)。到那時(shí)候，遍布道路兩旁的加油站也將會(huì)被充電站所取代。最新的消息是，上海市已經(jīng)宣布對(duì)特斯拉電動(dòng)車實(shí)行免牌照上牌政策，并支持他們更快地在中國建設(shè)超級(jí)充電站。

然而，當(dāng)你意識(shí)到電動(dòng)車使用的電池和你手機(jī)里裝著的電池并無本質(zhì)區(qū)別，令人歡欣鼓舞的光明遠(yuǎn)景可能就要蓋上一朵烏云了。手機(jī)黨經(jīng)常苦惱的就是電池的續(xù)航能力。許多人的手機(jī)早上充滿，下午見底，一天必須充一次。筆記本電腦同樣有這個(gè)問題，幾個(gè)小時(shí)就可能電量告罄。電動(dòng)車沒開多遠(yuǎn)就“趴窩”，需要頻繁充電，這是它的實(shí)用性備受質(zhì)疑的焦點(diǎn)。特斯拉唯一投放市場的ModelS型電動(dòng)車，最高配置的車型宣稱一次充滿電后可以行駛480公里，已經(jīng)是很了不起的成績了。

為什么電池“不耐用”？在一定的空間里，物質(zhì)所能儲(chǔ)存能量的大小被稱作“能量密度”。從能量密度的排位來看，電池幾乎墊底。以每千克產(chǎn)生的能量作為指標(biāo)，我們?nèi)粘Ｊ褂玫钠湍苓_(dá)到50兆焦耳，而鋰電池的平均水平還不到1兆焦耳。其他類型的電池同樣在極低的水準(zhǔn)徘徊。顯然，我們不可能把電池的體積做得無限大；為了提升電池的容量，只能著眼于提高電池的能量密度，但是困難重重。這項(xiàng)技術(shù)到底難在哪里？記者就此采訪了浙江大學(xué)化學(xué)系副教授劉潤，以我們常用的鋰離子電池（簡稱鋰電池）為例，解剖電池內(nèi)部構(gòu)造的秘密。

電解液很重要

電池之所以能夠提供能量，是因?yàn)榘l(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移。在電池接到一個(gè)電路里，合上開關(guān)，電流就通了。這時(shí)，電子就會(huì)從負(fù)極跑出來，經(jīng)過電路流到正極。在這個(gè)過程中，電子會(huì)做功，來支撐你的手機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，或者驅(qū)動(dòng)特斯拉電動(dòng)車。

鋰電池的電子是由鋰提供的。那么，在電池里裝滿了鋰，能量密度不就上去了嗎？可惜的是，為了讓鋰離子電池具備可充電的功能，它的內(nèi)部構(gòu)造必須以犧牲能量密度為代價(jià)。劉潤指出，鋰電池的內(nèi)部構(gòu)造包括電解液、負(fù)極材料、正極材料和隔膜等，每一樣都有其專門的工藝需求，發(fā)揮獨(dú)特的功能，不可或缺。這種構(gòu)造限制了鋰電池能量密度的提升。

首先，是電解液，它是電池里不可缺少的運(yùn)輸管道。“電池放電的時(shí)候，鋰原子失去電子，變成了鋰離子，這時(shí)它要從電池的一極跑到另一極去，到了充電的時(shí)候再跑回來。”劉潤說。鋰離子在電池兩極的來去構(gòu)成了鋰電池循環(huán)使用的關(guān)鍵，而電解液保證了它的旅途自由通暢。電解液就像河水，鋰離子就像魚。如果河床干了，魚到不了對(duì)岸，鋰電池就無法正常工作。

電解液的奇妙之處還在于，它只會(huì)運(yùn)載鋰離子，而不會(huì)運(yùn)載電子，這就確保了電池只有在電路連通的時(shí)候才會(huì)放電。同時(shí)，依賴電解質(zhì)，鋰離子的運(yùn)動(dòng)有序而明確，使電子總是沿著一個(gè)方向移動(dòng)，這樣才形成了電流。

正負(fù)極求穩(wěn)定

電解液雖然不提供任何能量，并且占的分量還不小，但是鋰電池里絕少不了它。那么，以石墨為主的負(fù)極材料為什么也不能少呢？石墨就是做鉛筆芯的材料，也不負(fù)責(zé)提供電子。劉潤說，這是為了保證充電的時(shí)候不出問題。

充電時(shí)，鋰離子從正極跳入電解液，游回負(fù)極，在那里得到電子變成鋰原子聚集起來，準(zhǔn)備下一次放電。但是，鋰本身是電子的良好導(dǎo)體，后來的鋰離子可能還沒到達(dá)負(fù)極，就從已經(jīng)變身為鋰原子的前輩那里得到了電子。這樣，鋰原子就可能像雜草一樣在電池里面瘋長，并出現(xiàn)晶體。這個(gè)過程就叫做“析晶”。野蠻生長的鋰晶體最終會(huì)刺穿隔膜，使電池短路報(bào)廢。

為了解決這個(gè)麻煩，科學(xué)家用石墨制成負(fù)極材料，利用其表面的空隙，就像一個(gè)個(gè)小房間，讓鋰原子安穩(wěn)地待在里面，彼此不發(fā)生作用。這樣一來，鋰原子安分了，但是電池的能量密度就又下降了。

類似的道理也適用于電池的正極，為了維持電池的穩(wěn)定有序，正極材料也經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，充電的時(shí)候不是所有的鋰離子都會(huì)游回負(fù)極，大約有近一半的鋰離子會(huì)留下來，這也削弱了電池的能量密度。

大容量存挑戰(zhàn)

客觀地看，鋰電池體積小、分量輕、壽命長、成本低，又安全、又環(huán)保，較短的充電時(shí)間就能換來較長的使用時(shí)間……已經(jīng)是人類目前找到的極為優(yōu)質(zhì)的電池。但是，科學(xué)家總是精益求精。劉潤說，改良的關(guān)鍵，是尋找更優(yōu)質(zhì)的正極和負(fù)極材料，來提升電池的能量密度。

負(fù)極材料可能的替代品有鋰硅合金等，其能量密度比石墨高近十倍。找到更穩(wěn)定的正極材料則顯得更加重要。現(xiàn)在人們主要用的是鈷酸鋰，這種材料很昂貴，而穩(wěn)定性和能量密度則不盡如人意。科學(xué)家正在研究是否有可能用鐵基或錳基的氧化物來代替它。

在可預(yù)見的未來，我們有可能獲得更大容量的電池嗎？科學(xué)家還是圍繞鋰來下功夫。因?yàn)殇噮⑴c反應(yīng)的電子比例高，金屬鋰自身的能量密度大。鋰硫電池和鋰空氣電池都存在理論上的可能性，它們是電池，卻可以提供像汽油燃料一樣豐沛的能量。不過，實(shí)際的開發(fā)推廣仍然面對(duì)諸多挑戰(zhàn)。

看來，對(duì)電動(dòng)車感興趣的你，還是需要暫時(shí)接受跑上一陣子就要充電的現(xiàn)實(shí)。紐約的科學(xué)家最近有一項(xiàng)新發(fā)明，把太陽能充電板做成窨井蓋的模樣，讓電動(dòng)車隨時(shí)可以停在路面上充電。對(duì)于特斯拉來說，這可是個(gè)好消息，不是嗎。