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公司 2015-11-13 09:34

手机又没电了?科学家的这些研究或许会给你带来希望

我的电池没电了——谁有多余的充电器?大多数拥有手机、笔记本,甚至是电动汽车的人都会对这种痛苦心生同情。当你最需要它的时候,手机屏幕变黑了,于是燃起了一种细微但却持续不断的恼怒之情。之后是对充电插口无止尽的追寻。当你意识到自己选择了一个没有充电插口的火车车厢时,你会有一种心如死灰的感觉。

在延长电池日益衰减的寿命上,你听到了各种互相矛盾的建议。与此同时,你绝望地意识到,它总会在几年内死去。上床前为手机充电已经成为夜间的例行动作。

“现有电池的问题是它们很糟糕,” 特斯拉的 CEO Elon Musk 在 5 月的 Powerwall——一种时髦的新电池——的发布会上说。这个谜题的级别就像是暗物质,或者说,就像是你为何仍然买不到能同时烤好面包两面的烤箱一样:为什么电池很糟糕?

“这归根到底是一个基本问题,”剑桥大学化学系教授 Clare Gray 说。他研究电池运作已有 20 年了。“你拥有一块材料,而且只能同时让一定数量的电子进出。不是说只要这些蠢蠢的科学家继续研究下去,我们就可以无穷无尽地增加电池的电量。”

因此,电池并不糟糕;那是我们的期待太高了吗?“你或许可以去问问 iPhone 用户,他们为什么一天要吃三顿饭,” Grey 笑着说,“任何设备天生就很耗电。许多人每年充手机的次数是 365 次。这等于要求一种化学反应持续发生 1000 多次后还能保持完美。在我们的生活中,哪些东西来回运作 1000 次后不会衰减?”

在温哥华,加拿大公司 Cadex Electronics 的 CEO Isidor Buchmann 对此表示同意。电池的局限在于其化学基础。他的公司制造充电器、分析仪,并且运营着一家名为“电池大学”的网站。而公司对改善现有电池的兴趣更加浓厚。

“每个人都想要发明所谓的‘超级电池’,但问题在于,电池一样会衰老,就像我们一样,” 他说,“即使运动员也会慢下来。因此,追踪它工作时的表现很重要。人们只关注电池从出生到毕业的阶段,忽视了从工作到退休的阶段。” 明年,Buchmann 计划全球旅行,“宣扬如何保护电池”。

与此同时,可携带电子设备正变得更轻、更便宜,而且每过几年就性能翻倍。iPhone 6s 拥有 3D 触控屏幕,超极本又薄又强劲。一款新的智能手表的运算能力超过了登月的阿波罗太空船。但是,它们使用的锂电池和索尼 1991 年开始销售时并没有太大改变。在充满电的情况下,你的电动汽车仍然无法从伦敦到达爱丁堡(除非你有 5.5 万英镑的零花钱,可以买个 Tesla S)。

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(Tesla S 电动汽车)

“电池衰退不在计划中,但是,公司没有动力去开发寿命数十年的电池,” Gizmodo 网站的科技专家 Eric Limer 说,“每晚充电已经是常规了,因此,除非你把电池续航延长为数天,否则没有什么意义。”

另外,越来越多的手机和笔记本采用了不可拆卸的电池。电池之死成了促使你升级的理由之一。” 正如 Joanna Stern 在华尔街日报上对 iPhone 6s 的评论上所说的:“人们对智能手机的第一要求是更长的电池寿命,iPhone 6S 没有做到这一点。”

Limer 的 Nexus 5 已经用了两年时间了,每六个小时就要充电,不过其它方面都“表现非凡”。他相信,解决方案在于更好的电池维护。“有两件事情,” 他建议说,“首先,锂电池从满电一直用到亏电并不合适,因此,应该经常充电,每次充一点:理想的电量状态在 30%—80% 之间。其次,不要让你的笔记本发热:当它做高强度的工作时,把它放在支架上。”

如今,锂电池存在于手机、汽车、数码相机、电子烟、电动工具、 轮船和太空飞船、好奇号火星探测车上。它驱动着现代世界中许多我们赖以生存的东西。但它们的运作方式仍然与 200 年前首次出现的电池一样:基本上,它们包括了两类金属,中间是某种溶液。对于 1799 年的亚历山德罗·伏打来说,那是锌和银,用浸入盐水的布分开:这是世界上首个获得广泛应用的电池。

如今,电池的一端是锂,另一端通常是碳,中间是锂离子来回穿越的电解质溶液。锂的问题在于,它是易燃的。正如一位科学家告诉我,或者 YouTube 上锤子击打三星 S5 致其爆炸的视频所展示的:“锂离子电池是非常可怕的。” 这是它们在过去 25 年内只改进了 ½ 或者 ⅓ 的部分理由。

虽然如此,创造超级电池的竞赛仍在继续。能量储存市场正要起飞,而且在全球的实验室都有研究,由政府、科技巨头和汽车制造商投资赞助。科学家和工程师们正在努力制造储存更多能量、寿命更长、体积更小、价格更低、更有利于环境保护的电池。通常,这是秘密进行的。

一些人则走向另一条道路,试图找出耗能更少的技术,或者极为快速的超级充电站。换句话说,电池或许只能续航六小时,但是可以在两分钟内充满。

其他人则完全抛弃了我们现在所了解的电池。伦敦皇家学院的复合材料工程师 Emile Grennhalgh 博士正在开发一种可以储存能量的结构材料。他的研究由欧盟和国防部资助。

“在我们的概念中,你不再需要 iPhone 电池了,” 他解释说,“能量可以储存在外壳里。” 这听起来不如“人们正在制造的奇特电池和超级电容器”那么好听,他补充说,但是,从另一方面说,“你能用我们的材料制作飞机的机翼,普通电池无法做到这一点。”

他的研究成果什么时候才能推向市场?“沃尔沃在行李箱盖上使用了它,效果很不错,” 他说,“在我看来,它会在今后五年内进入小众产品领域。我们的研究引起空客这样的公司的兴趣,因为,它们想要在 2050 年前造出纯电动的飞机。”

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(一架汉莎航空的空客飞机)

在特隆赫姆的挪威科技大学里,材料科学家 Fride Vullum-Bruer 正在研究一种替代碳的材料,可以将电池的性能提升 30% 以上。她的项目被称作“来自海洋的电池”,因为,她的团队在制造电池的过程种使用了褐藻。我天真地问她,材料的名字是什么。“我不能告诉你,”她说,“我们正在申请专利。”

Vullum-Bruer,以及与我交谈的每一个人都相信,未来的市场不会只有“一种魔力电池”,而是许多种不同的电池。“我认为,在很长一段时间里,锂电池会继续统治市场,”她说。

“但是,在 10 年内,我们会看到其它电池的出现。在一些领域,比如汽车领域,钠离子和镁离子电池或许会部分替代锂离子电池。近些年来,炒的最火的一种材料是硅,因为在地球存量最充足的元素中,它排在了第二位。它的耐久度是传统材料的 10 倍,但是,目前你只能给它充几次电。我听到一些关于此类电池电路的谣言,在制造新电池的时候,特斯拉正在测试这种硅材料。”

哦,特斯拉。每个人想起了那家站在电池革命前线大胆的电动汽车公司。在我们的交谈后,Buchmann 写来邮件说,“要真正让电池行业快速发展,需要找到电动汽车能使用的超级电池。” 在马斯克说电池“糟糕”的那天,他宣布成立特斯拉能源,一个栅极电池公司。几个月后,它的 Powerwall 家用电池订单已经达到了 10 万,价值 10 亿美元。

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(特斯拉电池公司)

电池的生产地是特斯拉在内华达沙漠中的超级大型工厂,投资 50 亿美元。该工厂会在明年开工,成为全球最大的电池制造厂。特斯拉在网站上极为自信的宣称,到了 2020 年,它每年生产的锂电池数量将会超过 2013 年的全球锂电池生产量。

当能源储存革命中的其他人制造更小、更强大的电池,或者尝试新元素的时候,特斯拉只是在制造更多的电池。“我敢说,Elon 构建了一个非常好的商业模式,” Grey 说,“他把平淡无奇的电池拿来,连上线,塞到特斯拉电动汽车上。”

我们这些人怎么办呢?我们能否期待,不久的将来自己的设备能坚持一天时间?“只要我们的电池是基于化学反应的,我们就会遇到很大的限制,”Buchmann 说,“电池的健康几乎就像是活体器官的健康或者人类的健康。我们必须关心它。”

而 Limer 则表示,“我认为,10 年内,情况不会有很大的变化。一个比较现实的期待是,即使在极端的重度使用下,你的电池也能坚持一天的时间。” 他接着说,如今,我们面临的是“电池僵局”。

Grey 更为乐观。“电池在改进,新材料也在到来,” 她说,“ 电子设备的耗能也会下降,但事实是,整个社会仍然需要更多的能量。在今后的 25 年里,我们想把一切东西都连接起来。” 尽管电池不能拯救世界,但是,Grey 相信它们能够发挥自己的作用。

“ 网格能量存储是社会面临的重大挑战之一,” 她说,“当社会持续发展,必须处理气候变化问题,而电池在此会发挥重要的作用。目前,明确的方案是不存在的,而且,在今后的一些年里,情况也不会有改观。但是,变化总会发生的。2050 年的电池是什么样子,谁也说不准,但是,它肯定会很吸引大家的眼球的。”

本文全文译自 Guardian,原文标题 Why your phone battery is rubbish,作者 Chitra Ramaswamy。本文详细介绍了当前科技界和商业公司对电池的研究和利用。爱范儿积木、黄美菁翻译出品。

题图、插图来自:Guardian

 

 

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