電池接班人大討論

我們幾乎每天都能聽到身邊的朋友抱怨：智能手機功能太弱，MP3播放器續航能力太爛等問題。而造成上述問題的罪魁禍首，并非是芯片發展速度太慢，而是電池容量制約。無論是電池容量還是充電速度，都是困擾一切電子移動設備的最大難題——一部性能超強但卻只能使用30分鐘的筆記本注定 只能得到極少數狂熱發燒友的青睞。

?

相對于電子產品遵循的摩爾定律來說，電子產品的供電設計足以稱得上是活化石。自二十年前，筆記本電腦等移動設備就開始采用鋰電池作為電源，在這漫長的二十年里鋰電池僅僅在容量上獲得了緩慢的增長，在安全性和充電速度上幾乎原地踏步。面對層出不窮的電子產品，傳統的電池技術終究會因為無法滿足需求而被淘汰。究竟有多少種新技術能讓鋰電池走進歷史？未來我們又將過上什么樣的移動數字生活？本期新技術研習社，就帶大家一起檢閱鋰電池的接班人。

鋰電池接班人一號：銀鋅電池

也許你是第一次聽說銀鋅電池這個名詞，但這并不妨礙銀鋅電池的電池鼻祖地位。早在1800年春季，意大利科學家伏打（Volta）就發明了著名的“伏打電池”。這種電池是由一系列圓形鋅片和銀片相互交迭而成的裝置，在每一對銀片和鋅片之間，用一種在鹽水或其他導電溶液中浸過的紙板隔開。銀片和鋅片是兩種不同的金屬，鹽水或其他導電溶液作為電解液，它們構成了電流回路。這是一種比較原始的電池，是由很多銀鋅電池連接而成的電池組。如你所知，這便是所有電池的雛形。

?

經過了200多年的更迭，銀鋅電池至今仍然出現在我們的手表、計算器等低耗電設備中。既然銀鋅電池有那么久遠的歷史，為什么至今才被當作鋰電池最有希望的接班人推出？其實自問世以來，民用的銀鋅電池就只能提供較低的電壓和電流，電池容量也相當小。普通的鋅銀電池的正極是氧化汞加石墨，或者是氧化銀加石墨，負極材料是金屬鋅，電解質是強堿氫氧化鉀。普通銀鋅電池性能穩定，不可充電，占據了紐扣電池市場的半壁江山。在上世紀七十年代，人們才開發出了銀鋅蓄電池。銀鋅蓄電池正極采用Ag2O2 + 2H2O + 4e- ? 2Ag + 4OH-，負極采用2Zn + 4OH- ? 2Zn(OH)2 + 4e-，可以擁有極高的電容量和穩定的電池性能。大容銀鋅蓄電池價格驚人，在當今的航天飛機、導彈、魚類等尖端領域才能找到大容量銀鋅蓄電池的身影。

?

?

最初的銀鋅電池原型

對于數碼設備來說，在不考慮成本的情況下，銀鋅電池將會使最佳的選擇。為了實現銀鋅電池低價化的目標，一家叫做Zinc Matrix的公司自1999年開始就在風險投資的助力下開發低成本長壽命的銀鋅充電電池。經過了幾年的努力，在2006年Intel信息技術峰會上，Zinc Martix展出了它們首個民用銀鋅充電電池原型。初次展出的該款電池只有1.6V電壓，但電池容量可以達到10AH。在隨后的兩年間，Zinc Martix改名為ZPower，繼續從事銀鋅電池的改良設計。2008年5月ZPower公司宣布旗下的銀鋅充電電池在同等體積下能獲得超過鋰電池30%~40%的電容量，并且較后者更安全耐用。預計首款采用ZPower銀鋅充電電池的筆記本電腦將會在2009年全面上世。

?

電池結構圖

根據ZPower公司透露它們的銀鋅充電電池采用了獨家的銀鋅聚合物正極以及多層隔離膜，前者能很大程度上避免點擊產生結晶，延長電池壽命。后者則用于阻止產生的結晶直接穿透正負極導致電池短路爆炸。在負極設計上，ZPower可充電銀鋅電池采用的是納米銀微粒，可以有效提升導電能力以及降低電池內阻，從而獲得更大的電容量和更高的放點能力。
?

?

幾天前ZPower展出的銀鋅筆記本用鋰電池

更高的電容量、更安全的電池設計加上更快的充電速度，銀鋅充電電池如果能盡快解決使用壽命和成本問題，將會成為鋰電池的最佳替代品。在我們幾天前的新聞中，Zpower表示2009年部分筆記本電腦將會采用銀鋅充電電池以獲得更長的續航能力。

鋰電池接班人二號：燃料電池

無論是銀鋅電池還是鋰電池，它們都無法擺脫充電的詛咒——電池容量越大，充電時間越長。對于電子設備來說，頻繁的充電是限制續航能力的重要因素。另一方面，在大街或者交通工具上，消費者也很難找到可以充電的地方。為此，被稱作終極電池的燃料電池浮出水面。業界大量電池廠商包括三洋、索尼、東芝等廠商，都在燃料電池領域投入巨資，希望能開發出適用于電子設備的燃料電池，從而徹底解決電池的充電難題。

?

?

燃料電池原理圖

?燃料電池，顧名思義即靠燃料驅動的電池。早在1839年，英國人W.Grove就提出了氫和氧反應可以發電的原理，這就是最早的氫-氧燃料電池(Fuel Cell)。通常燃料所產生的能量是以能釋放的，而燃料電池不釋放熱能，它是將其分解成氫離子和電子而轉化成電能。

經過了近200年的發展，當今研發的燃料電池幾乎都使用液體甲醇為燃料。在燃料電池內部，液體甲醇在分解的過程中僅僅產生水、二氧化碳和熱能，并且會被電池的釋放孔釋放。真正將化學能轉換為電能的部件，實際上是燃料電池中的碳精和高分子電解質膜。在燃料電池工作時，甲醇會因為鉑金的觸媒作用被分解為氫離子和點子，由于電解質膜只能通過氫離子，所以電子會被質膜攔截后經過炭精被導向負極產生電流。與此同時，氫離子經過質膜后會被倒入到正極與空氣中的氧結合成水蒸汽，然后通過電池的釋放口排除電池外。燃料電池的工作原理決定了電池獲得電能的同時既不損耗電池，也不影響環境。只要補充消耗掉的甲醇就能產生同量的電能。?

?

Maxell開發高分子高電容量的燃料電池

?和普通電池相比，燃料電池具有驚人的能量密度。相同體積的燃料電池，電量是鋰電池的數倍。鋰電池無論生產還是丟棄都會污染環境，而燃料電池則兼備了無污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續工作等優點，燃料電池工作的副產品只有水和熱量，無噪音，基本無污染，效率比起一般的發電系統高得多，達到43～58%，如果把反應產生的熱量也利用上，效率可以高達80%！是一種清潔環保的電源。比起常用的鋰電池和聚合物鋰電池要干凈和環保得多。
?

?雖然燃料電池的各種設計堪稱完美，但近10年來，燃料電池始終無法在成本和體積上獲得突破。在成本方面，燃料電池采用的鉑金售價驚人，而由于需要預留裝載甲醇的空間和反應空間，燃料電池的體積大多相當驚人。進入2008年，兩家日本廠商SONY和夏普幾乎同時宣布在燃料電池研發上獲得突破。它們各自開發出了體積只有火柴盒大小，可以實現量產的電池產品。夏普的新款燃料電池的大小為１８立方厘米，輸出功率達到以往同類產品的７倍。與輸出功率相當的鋰離子電池相比新款燃料電池的體積縮小了約２０％，重量降低了約６０％，有望安裝在手機等小型設備內部。

就在日本廠商努力實現燃料電池小型化的同時，美國燃料電池制造商MTI MicroFuel Cells(MTI Micro)公司也在燃料電池小型化和實用化技術方面取得了突破性進展。 MTI Micro開發出的基于Mobion技術的直接甲醇燃料電池（DMFC）原型不僅可提供比相同尺寸的鋰電池高出一倍的電能，而且允許在移動狀態下為燃料電池進行充電。MTI Micro公司已在今年二月底的日本國際燃料電池展覽會上展示了可與當今商用化單反數碼相機尺寸相配的燃料電池原型，與相同尺寸的單反數碼相機用鋰電池相比，它可提供兩倍的電能。

?

?

MT Micro最引人矚目的技術貢獻是開發出了一種循環利用燃料電池副產品水的方法，從而消除了燃料電池需要有開孔釋放二氧化碳和水蒸氣的設計難題。除此以外，MTI Micro的軟料電池還首次能在燃料電池工作的狀態下添加甲醇，從而實現了移動設備無間斷工作的夢想。業界普遍認為，燃料電池將會在2009年實現大規模量產，開始替代傳統電池的征途。在這以前，我們不僅需要解決燃料電池的技術限制，還需要構建甲醇等燃料的生產線，以及解決甲醇在運輸和存儲時安全性。

鋰電池：我還沒死你們著急啥
?

面對銀鋅電池和燃料電池的挑戰，鋰電池真的走到了窮途末路了嗎？答案絕對是否定的。在過去的幾年間，鋰電池雖然事故頻發，但仍然有不少廠商在努力改良鋰電池，希望它能具有更高的安全性和更大的電量。

根據鋰離子電池所用電解質材料不同，鋰離子電池可以分為液態鋰離子電池(lithium ion battery, 簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡稱為LIP)兩大類。聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區別在于電解質的不同, 鋰離子電池使用的是液體電解質, 而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替, 這種聚合物可以是“干態”的,也可以是“膠態”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質。

?

?

由于用固體電解質代替了液體電解質,與液態鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優點，也不會產生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質量比能量將會比目前的液態鋰離子電池提高50％以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環壽命等方面都比鋰離子電池有所提高。在業界關注安全性方面由于采用了固態材料作為電解液，聚合物鋰離子電池不會因為被短路或者其他原因發生爆炸或者燃燒，也不會因為工作溫度的提升而損壞。

?

、

?

鋰聚合物電池

?

雖然聚合物鋰電池有著壓倒性的優勢，但是在成熟度和成本控制方面依然和主流的液態鋰電池有著明顯的差距。當今的液態鋰電池生產成本低，工藝成熟，可以輕松實現各種厚度的電池生產。而聚合物鋰電池在生產成本上遠高于前者，特別是在筆記本電腦電池之類的需要多顆電芯并聯的場合中，采用聚合物鋰電池所帶來的高昂價格并不是所有人都能接受的。進入2008年，鋰聚合物電池電池售價開始大幅下滑，有望逐漸代替傳統的液態鋰離子電池。

除了改良安全性，鋰電池的容量和充電速度方面也有了巨大的進步。包括聯想、Dell等廠商已經開發出30分鐘甚至更快充電時間的鋰電池。在銀鋅電池和燃料電池最終成數前，鋰電池仍將繼續發展，成為我們移動設備最主要的電力來源
?

結語

從鎳鎘電池到鋰電池，我們見證了充電電池在性能和壽命上的蛻變。進入一切皆移動的數字時代，我們甚至需要電池能提供源源不斷的供電能力以及無需等待的充電時間。面對銀鋅電池和燃料電池的不斷發展，我們的數字生活必將因為電源的更迭產生翻天覆地的變化。也許過不了幾年，我們就不再需要為筆記本續航能力擔心，充一次電用幾個月的手機也不在是天方夜譚。一個告別“電力短缺”的新時代正快步向我們走來。