每块成功的充电电池背后，都有一群“得寸进尺”的科学家 | 科学人 | 果壳网 科技有意思
每块成功的充电电池背后，都有一群“得寸进尺”的科学家
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本文作者:chenwei
近日，斯坦福大学的戴宏杰研究组在《自然》发表，宣布研发出了充电极快、寿命超长的铝离子电池，引起了广泛关注。比起耳熟能详的“锂电池”，人们对铝离子电池的感觉要陌生得多。为什么要研发这样的新电池？这还得从充电电池的发展说起。
初中时，我有一部黄色的随身听。我给它准备了3对充电电池轮番上阵，这样，当周杰伦的声音突然变得缓慢时，我知道总有电池可以更换。后来，我有了MP3和手机，就渐渐不再听随身听了，需要经常充电的，也从圆柱形的5号电池换成了扁扁的锂电池。在我看来，世上无法逃避的事情，除了死亡和交税，还有给电池充电。
不是每一节电池都叫可充电电池
电池是生活中再常见不过的物品了。它进入人类世界已有200年的历史。早在1800年，意大利科学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）就发明了“伏打电堆”。伏打电堆由很多个单元堆叠而成，每个单元都有一块铜板和一块锌板，中间由一块浸有盐水的布隔开。时至今日，生活中常见的碱性电池、铅酸电池、锂电池等电池，都与古老的伏打电堆共享着同样的工作原理：通过氧化还原反应将自己储存的化学能转化为电能。
描绘伏特（左）向拿破仑（右）展示伏打电堆的画作。图片来源：
这一看似神奇的过程其实并不复杂。一块电池主要由正极、负极和电解液三部分组成。当电池与外电路联通时，负极一端就开始发生氧化反应，释放出电子；正极一端则发生还原反应，正好需要补充电子。由于电解液将两极隔开，只允许离子流动，不允许电子流动，于是电子通过外电路从负极流向正极，形成电流做功，化学能也藉此转化成了电能。
原电池示意图。阳极（Anode）与阴极（Cathode）与外电路连接，浸泡在电解液中，电池工作时，电流从阴极流向阳极。因此此处，阳极和负极是同一电极，阴极与正极是同一电极。图片来源：Arumugam Manthiram, Smart Battery MaterialsIn, CRC Press, 2009, pp. 8.
但如果用一次性电池为随身听供电，那么一张专辑刚刷几遍，电池就该扔了。一次性电池的电化学反应是不可逆的，也就是说，化学能转化为电能的旅程只能一条路走到黑，电量用尽，电池也没用了。能不能来一种可以重复使用的电池？
这种“得寸进尺”的需求，最终促成了世界上最早的可充电电池——铅酸电池的诞生。它由法国物理学家加斯顿·普兰特（Gaston Planté）于1859年发明。可充电电池采用的是可逆的电化学反应，只要施加外电压，改变电子流动的方向（从正极流向负极），电池两极就会发生与放电时方向相反的化学反应，仿佛“返老还童”，最终重新充满电力。
这项发明影响之深远令人不服不行——时至今日，人们在启动汽车引擎时使用的蓄电池依然是铅酸电池。铅酸电池的负极与正极分别采用海绵铅及二氧化铅，电解液使用稀硫酸。它可以提供很大的电流，价钱也不贵，但就是体积太大了些。
普兰特和他发明的铅酸电池。图片来源：
铅酸电池做不到面面俱到？没关系，后面还有一堆科学家跃跃欲试呢。此后，研究者们又不断探索，发明出采用其他化学反应的充电电池，如镍镉电池、镍氢电池和锂电池。它们能量密度更大，体积更小，可以用于为各类小型电子设备提供电能。
青出于蓝的锂离子电池
之前说到，电池工作时，电子通过外电路从负极流向正极。与此同时，相同电荷量的正离子则在电池内部从负极向正极流动。早期的电池都使用诸如稀硫酸这样的以水为溶剂的电解液。在这种情况下，电池内肩负维持电荷平衡任务的是氢离子。然而，使用水系电解液的电池，最多能达到的工作电压也不过2伏左右。如果我们想要获得更高的电压，输出更大功率，就要使用不含水的电解液，找到替代氢离子的正离子。
查看元素周期表，最佳的候选者落在了锂离子身上：作为3号元素，锂的原子量只有6.9；它既轻又小，比其他大的离子更容易在电解液中移动，可谓不二之选。确定了锂离子，接下来的任务，就是找到可以与之发生可逆反应的电极材料了。到20世纪70年代，美国化学家斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在埃克森（Exxon）工作时率先发明了锂离子电池。经过多年优化，商业化的可充电锂离子电池在20世纪90年代初在日本推出。
斯坦利·惠廷厄姆目前仍是下一代锂电池设计的重要研发者。图片来源：binghamton.edu
锂离子电池的负极使用石墨，正极使用钴酸锂，电解液则使用含有锂盐（如六氟磷酸锂）的有机溶剂。放电时，嵌入在石墨负极中的锂被氧化进入电解液，跑到正极嵌入到氧化钴的晶格间隙中形成钴酸锂；充电时，锂则从钴酸锂中脱嵌，溜回石墨中，如此循环往复。这样的电池，工作电压可达到3.7伏以上，能量密度大大提高。
但所谓金无足赤，尽管锂离子电池大获成功，也免不了还有缺点——比如价格较高，容量流失，以及最严重的安全性不高的问题。锂离子电池电解液使用的有机溶剂十分易燃，虽然我们可以通过加入添加剂和改进电池设计来提高电池的稳定性，却终究不是长久之计。
厚望加身的铝离子电池
原理上，我们只要用另一种X离子来替代锂离子，并找到与之匹配的电极和电解液，就可以得到“X离子电池”。在众多“X”的候选者中，铝算是优势比较明显的：它的价格比锂更低，化学性质也更稳定，而且在反应时，每个铝原子可以释放3个电子，似乎是个不错的选择。
然而，研发铝离子电池的道路并不顺利。最大的困难在于找到合适的正极材料和电解液。在以往的研究中，正极材料往往会在充放电过程中发生不可逆的结构破坏，能有效参与反应的部分因而越来越少。最终，电池容量迅速下降，使用寿命只有几十个循环——这显然不能满足人们的需求。
在研究者们锲而不舍的努力之下，上月，铝离子电池终于迎来了大突破。斯坦福大学化学系的戴宏杰教授在《自然》发文宣布，他的研究小组成功制造出了超长寿命的铝离子电池。
戴宏杰（右）和文章的共同第一作者之一龚明（左）图片来源： Mark Shwartz/Stanford Precourt Institute for Energy
这种电池选用铝金属作为负极，正极则是一种三维结构的泡沫石墨。秘制电解液由有机盐 [EMIm]Cl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride） 和 AlCl3 按一定比例混合制成的离子液体。负责在电解液中转移电荷的离子是 AlCl4-。电池放电时，铝负极被氧化生成 Al2Cl7-，同时释放电子；本来嵌入在泡沫石墨正极孔隙中的 AlCl4- 则脱嵌进入电解液。充电时，电解液中的 AlCl4- 则重新嵌入到泡沫石墨孔隙当中。因为 AlCl4-离子的体积较大，因此找到一种可以允许它快速嵌入/脱嵌的的正极材料颇为关键。研究人员巧妙地制备了泡沫石墨——它内部充满空隙，表面积很大，让AlCl4-离子可以快速自由地进出。
以泡沫镍为模板，研究者先用化学气相沉积法在它的表面沉积上石墨，再覆盖上一层聚合物PMMA；接着用相应溶剂将泡沫镍和PMMA相继溶解，得到三维结构的泡沫石墨。用普通非泡沫热解石墨做正极的话，铝离子电池的充放电速率只有使用泡沫石墨时的75分之一。图片来源：参考文献[1]
在经过惊人的7500次充放电循环后，这些铝离子电池的容量几乎没有损失，工作电压也稳定在2伏左右。除了寿命长，这种铝离子电池功率密度也很高（3000W·kg–1），可以在一分钟内充满电。此外，它们柔性极好，可以随意弯曲；安全性能也超棒，哪怕用电钻将它钻穿，也不会影响它正常工作。
锂离子电池被戳开一个洞很可能带来严重的后果，但用钻头（Drill）钻穿戴宏杰研究组的铝离子电池，电池依然能正常工作。图片来源：stanford.edu
取而代之？
说了这么多优点，这样的铝离子充电电池什么时候能走进我们的生活？
恐怕还早得很。
目前，它的工作电压只有锂离子电池的一半，能量密度也只有 40 Wh·kg–1，与铅酸电池相当，还不到锂离子电池的三分之一，所以大家应该还没法在智能手机、笔记本电脑或电动汽车里看到它。除了性能的提高还潜力很大之外，这些铝离子电池的生产成本也有待降低——它的电解液使用离子液体，价格较高；用于制备泡沫石墨正极的化学气相沉积法也不便宜、是很难投入大规模生产的工艺。要达到“物美价廉”，研究者们还有很长的路要走。
但不管怎样，铝离子电池在使用寿命、功率密度和安全性方面的性能依然优越，如果未来可以降低生产成本，它们将会十分适合用于在对能量密度要求不高的地方发挥作用。比如在电网储能系统中，它们能为太阳能和风能等可再生能源储能，还能作为家用大型电池，为电动车充电，或是在停电时为电器供电。
一旦科学家能够研发出比泡沫石墨更好的正极材料，进一步提高铝离子电池的工作电压，它的用途将更加广泛。随身听走了，MP3也快走了，科技产品一代又一代地从我们的生活中出现又淘汰，电池和研究电池的人却一直还在。之后还会有怎样的电池惊艳我们的生活？给装备充好电，拭目以待吧。
（编辑：Calo）
，点击文中的论文链接即可免费阅读全文。
参考文献：
Nagaura, T. & Tozawa, K. Lithium ion rechargeable battery. Prog. Batteries Solar Cells 9, 209 (1990).
Wessells, et al.
Investigations of the Electrochemical Stability of Aqueous Electrolytes for Lithium Battery Applications. Electrochemical and Solid-State Letters 13, no. 5 (May 1, 2010): A59–61.
文章题图：
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用核能吧，某一天手机广告可以这么说：“我们承诺您的手机电池在手机彻底报废之前都不会没电，提前没电，买一赔十”。好吧，我去吃药了....
引用文章内容：安全性能也超棒，哪怕用电钻将它钻穿，也不会影响它正常工作。看到这话，我满脑子在想着，一块表面布满弹痕插满了弹片，而且流淌着电解液，的铝离子电池，还在坚守岗位。
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全部评论(66)
推动人类进步来说、科学家比企业家政治家更重要一些。在大陆 后二者却更受人崇拜！
上核电吧，阿门！来自
材料工程博士生
欲求不满的科学家。。欲壑难填的科学家。。
聚变电站建造中，需要升级蓄电池科技
用核能吧，某一天手机广告可以这么说：“我们承诺您的手机电池在手机彻底报废之前都不会没电，提前没电，买一赔十”。好吧，我去吃药了....
引用 的话：推动人类进步来说、科学家比企业家政治家更重要一些。在大陆 后...科学家还有一种被妖魔化的倾向，很多影视作品都在说“某某科学狂人，研究出什么什么，然后打算把全人类干掉，再然后……最终失败。”这样的故事。
引用文章内容：安全性能也超棒，哪怕用电钻将它钻穿，也不会影响它正常工作。看到这话，我满脑子在想着，一块表面布满弹痕插满了弹片，而且流淌着电解液，的铝离子电池，还在坚守岗位。
很有意思。为了解决产品电源的问题，有人选择改善电池的性能，还有人选择提高电池充电的速度。不知道最后会发展成什么样。来自
期待呀!要是五寸智能手机只需要一个月冲一次店就酷了!
金属材料在读博士生
果然最难的是多孔电极的大规模制造。现在论文中用的方法，能源消耗也太大了。想工业化，到底还是要换种方式才好。PS:我不是来推销我的博士论文的
引用 的话：果然最难的是多孔电极的大规模制造。现在论文中用的方法，能源消...之前似乎有篇文章提到用聚苯乙烯制备泡沫石墨来着
再下一步，锗离子电池？
标题有改动？
引用 的话：推动人类进步来说、科学家比企业家政治家更重要一些。在大陆 后二者却更受人崇拜！
这判断是一种误导，不是吗。客观的讲人类进步并非是每个人的使命。而且科学家们所做的贡献并非直接马上影响到每一个人。但企业家和政治家相比之下更会影响到个人。所以这是本能，也并非一定要提高到有关道德文明的层次上。
其次，在大陆的又有几个能影响世界并被世界认可的科学家呢？？
金属材料在读博士生
引用 的话：之前似乎有篇文章提到用聚苯乙烯制备泡沫石墨来着那个好像看过。不过太大了，这个的尺度比那个小多了。
引用 的话：果然最难的是多孔电极的大规模制造。现在论文中用的方法，能源消耗也太大了。想工业化，到底还是要换种方式才好。PS:我不是来推销我的博士论文的你用的是去合金化？我瞎猜的
价廉还不算要紧的事,真能达到3000W/kg,贵一些也没关系,高科技应用大把的,再说有钱人也许不会再着急往手机上镶钻石了,他们的手机能够待机一年,本身就是一种炫耀的资本
电池技术是很难搞的，以至于现在资金都不太愿意进入这个行业的研究
金属材料在读博士生
引用 的话：你用的是去合金化？我瞎猜的 有懂行的，这是我的一部分工作。相当大一部分
没提镍电池呀……（虽然这不是重点
引用 的话：再下一步，锗离子电池？直接用上铀算了，叫核电池，用到死还有电，可以传给儿子用
哪两个人是中国人吗？
那两个人是中国人吗？
引用 的话： 有懂行的，这是我的一部分工作。相当大一部分我硕士做的多孔银
引用 的话： 这判断是一种误导，不是吗。客观的讲人类进步并非是每个人的使命。而且科学家们所做的贡献并非直接马上影响到每一个人。但企业家和政治家相比之下更会影响到个人。所以这是本能，也并非一定要提高到有...引用 的话：推动人类进步来说、科学家比企业家政治家更重要一些。在大陆 后二者却更受人崇拜！一、科学家吃的饭是企业家提供的，用的研究资金，是企业家/政治家提供的。推动人类进步的，是心，而不是职业。二、希望科学无国界，不要提大陆什么什么的。科学当然需要土壤，国外的天空蓝，更多的是因为重工业搬到其他地方去了。科学土壤好，也是因为聚集人才的能力强。国内也有国内不同的土壤，会滋生出不一样的科研项目。比如高铁也算一个科研项目的话，那么中国就有很多不同的路况和天气条件可供检验，而在平摊的美国大陆，和气候单一的日本，就没有这种条件。
一分钟就充好电，充电器受得了？1分钟的话，充1000mAh的电池就得60A的电流，充电线得多粗？我手机还是3000mAh的电池，1000mAh还不够用啊。
引用文章内容：。秘制电解液由有机盐 [EMIm]Cl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride） 和 AlCl3 按一定比例混合制成的离子液体。第一个槽点是秘制电解液……秘制……卤肉么……再一个有点问题的是，虽然不知道在离子液体里是什么性质，但是纯的AlCl3是比较危险的，遇到水蒸气就能水解，在高分子里属于阳离子引发剂，但是由于是固体，所以没怎么用过，用得最多的还是BF3
引用 的话：果然最难的是多孔电极的大规模制造。现在论文中用的方法，能源消耗也太大了。想工业化，到底还是要换种方式才好。PS:我不是来推销我的博士论文的沉积到Ni上，再用PMMA转移，石墨烯的经典做法，严重怀疑他们组里有做过石墨烯的……按说多孔碳应该不需要这么麻烦，去年还是前年，不是国内有人做出了碳的气凝胶吗，表面积应该比这么做大多了吧
引用 的话：一、科学家吃的饭是企业家提供的，用的研究资金，是企业家/政治家提供的。推动人类进步的，是心，而不是职业。二、希望科学无国界，不要提大陆什么什么的。科学当然需要土壤，国外的天空蓝，更多的是因为重工业搬到...一、嗯，不过，这就是问题所在——科学家得到的社会回报和他们所创造的价值是不平衡的；同样，但是方向相反，企业家、政治家得到的社会回报和他们所创造的价值也是不平衡的。这里都是以群体为论述对象，描述差不多是准确的；科学家的工作更不易为人所知，从长远来看对人类文明影响也更大，从这个角度来说 的说法也不过分；公众普遍对科学家不了解，对科学不了解，如果这种现象不存在的话，果壳网似乎也没必要存在了吧。二、 的说法亦无错误嘛，事实如此，谈谈又何妨——尽管这是全球普遍的现象，可我们不能因为别人也有此不足而忽略自己的不足吧。一个国家，甚至一个民族，想要为人类进步出力，显然不能只是满足现状吧。人们常常看到“别人这个做得也糟”，就觉得自己做得糟也无甚问题，这想法不好。P. S. 尽管推动人类进步确实需要“心”，但“心”是看不见的，所以这是一个不靠谱的衡量标准。
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关于M10电池问题，是充电电池还是一次性的好？
准备购入M10，希望用干电池前端的烧友给个意见吧，用充电电池跟一次性的有区别吗？手上只有这两种的，充电的那个只有两颗，一次性的有几十颗。 顺便征求意见，买黑色好还是红色好？
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12:58 上传
用一次性的路过看，基本上两节能用两个星期以上
我是用充电的，长期用感觉比较省，没与其他电池对比过，红色的好看，有白色的更好
南孚聚能环……真的不漏电哦……
品胜新一代小灵充撸过……
话说M10菜单里有电池选项（碱性和镍氢），所以感觉应该无所谓吧
无条件推荐爱老婆，谁用谁知道！
用过不少充电电池，啥品胜、超霸，感觉都不如爱老婆实惠
磷酸铁锂不解释。
街上随便买的4块一对的干电池，随便也能听一星期…
IKEA的电池也很耐操的··十块钱一板
充电电池不会有很大差距。。。别污染环境了。。。
续航40+小时，如果听得不多，或常在固定位置能使用直流电源，那么充电电池意义不大。一套爱老婆也得100，尤其是以后要出的话，这套电池可能半卖半送。在未决定长期持有m10之前，建议少买附件，否则都是浮云 [s:2]
引用第10楼sanke-08-02 03:04发表的 :
续航40+小时，如果听得不多，或常在固定位置能使用直流电源，那么充电电池意义不大。一套爱老婆也得100，尤其是以后要出的话，这套电池可能半卖半送。在未决定长期持有m10之前，建议少买附件，否则都是浮云 [s:2]
对喔，差点忘记有直流电源，谢谢提醒。
不过电池早已经有了，特别一次性的那个，好早以前买了几十颗丢到一边，现在不想浪费，只想知道音质上会有区别与否。
而且，什么爱老婆电池我还是第一次听，南孚的也买不到，这里只有金霸王跟劲量。。。
不建议用直流电源，那个只是普通的开关电源，干扰非常大。买一套磷酸铁锂电池就可以了，在不改机的情况下，音质是最好的。
充电的吧，环保
充电的吧 省钱啊
充电电池 NiMH 2050mAh
可以和相机的通用呀
我是用充电的，长期用感觉比较省，LZ为什么不选择爱老婆啊？
充电电池经济点
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