普蘭特和他發(fā)明的鉛酸電池。圖片來源：bb-batteryasia.com

鉛酸電池做不到面面俱到？沒關(guān)系，后面還有一堆科學(xué)家躍躍欲試呢。此后，研究者們又不斷探索，發(fā)明出采用其他化學(xué)反應(yīng)的充電電池，如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。它們能量密度更大，體積更小，可以用于為各類小型電子設(shè)備提供電能。

青出于藍(lán)的鋰離子電池

之前說到，電池工作時(shí)，電子通過外電路從負(fù)極流向正極。與此同時(shí)，相同電荷量的正離子則在電池內(nèi)部從負(fù)極向正極流動(dòng)。早期的電池都使用諸如稀硫酸這樣的以水為溶劑的電解液。在這種情況下，電池內(nèi)肩負(fù)維持電荷平衡任務(wù)的是氫離子。然而，使用水系電解液的電池，最多能達(dá)到的工作電壓也不過2伏左右。如果我們想要獲得更高的電壓，輸出更大功率，就要使用不含水的電解液，找到替代氫離子的正離子。

查看元素周期表，最佳的候選者落在了鋰離子身上：作為3號(hào)元素，鋰的原子量只有6.9；它既輕又小，比其他大的離子更容易在電解液中移動(dòng)，可謂不二之選。確定了鋰離子，接下來的任務(wù)，就是找到可以與之發(fā)生可逆反應(yīng)的電極材料了。到20世紀(jì)70年代，美國化學(xué)家斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在?？松‥xxon）工作時(shí)率先發(fā)明了鋰離子電池。經(jīng)過多年優(yōu)化，商業(yè)化的可充電鋰離子電池在20世紀(jì)90年代初在日本推出。

斯坦利·惠廷厄姆目前仍是下一代鋰電池設(shè)計(jì)的重要研發(fā)者。圖片來源：binghamton.edu

鋰離子電池的負(fù)極使用石墨，正極使用鈷酸鋰，電解液則使用含有鋰鹽（如六氟磷酸鋰）的有機(jī)溶劑。放電時(shí)，嵌入在石墨負(fù)極中的鋰被氧化進(jìn)入電解液，跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰；充電時(shí)，鋰則從鈷酸鋰中脫嵌，溜回石墨中，如此循環(huán)往復(fù)。這樣的電池，工作電壓可達(dá)到3.7伏以上，能量密度大大提高。

但所謂金無足赤，盡管鋰離子電池大獲成功，也免不了還有缺點(diǎn)——比如價(jià)格較高，容量流失，以及最嚴(yán)重的安全性不高的問題。鋰離子電池電解液使用的有機(jī)溶劑十分易燃，雖然我們可以通過加入添加劑和改進(jìn)電池設(shè)計(jì)來提高電池的穩(wěn)定性，卻終究不是長久之計(jì)。

厚望加身的鋁離子電池

原理上，我們只要用另一種X離子來替代鋰離子，并找到與之匹配的電極和電解液，就可以得到“X離子電池”。在眾多“X”的候選者中，鋁算是優(yōu)勢比較明顯的：它的價(jià)格比鋰更低，化學(xué)性質(zhì)也更穩(wěn)定，而且在反應(yīng)時(shí)，每個(gè)鋁原子可以釋放3個(gè)電子，似乎是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

然而，研發(fā)鋁離子電池的道路并不順利。最大的困難在于找到合適的正極材料和電解液。在以往的研究中，正極材料往往會(huì)在充放電過程中發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)破壞，能有效參與反應(yīng)的部分因而越來越少。最終，電池容量迅速下降，使用壽命只有幾十個(gè)循環(huán)——這顯然不能滿足人們的需求。

在研究者們鍥而不舍的努力之下，上月，鋁離子電池終于迎來了大突破。斯坦福大學(xué)化學(xué)系的戴宏杰教授在《自然》發(fā)文宣布，他的研究小組成功制造出了超長壽命的鋁離子電池。

戴宏杰（右）和文章的共同第一作者之一龔明（左）圖片來源： Mark Shwartz/Stanford Precourt Institute for Energy

這種電池選用鋁金屬作為負(fù)極，正極則是一種三維結(jié)構(gòu)的泡沫石墨。秘制電解液由有機(jī)鹽 [EMIm]Cl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride） 和 AlCl₃ 按一定比例混合制成的離子液體。負(fù)責(zé)在電解液中轉(zhuǎn)移電荷的離子是 AlCl₄^-。電池放電時(shí)，鋁負(fù)極被氧化生成 Al₂Cl₇^-，同時(shí)釋放電子；本來嵌入在泡沫石墨正極孔隙中的 AlCl₄^-則脫嵌進(jìn)入電解液。充電時(shí)，電解液中的 AlCl₄^- 則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當(dāng)中。因?yàn)?AlCl₄^-離子的體積較大，因此找到一種可以允許它快速嵌入/脫嵌的的正極材料頗為關(guān)鍵。研究人員巧妙地制備了泡沫石墨——它內(nèi)部充滿空隙，表面積很大，讓AlCl₄^-離子可以快速自由地進(jìn)出。