电池创新杂谈

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“电池不含在内”,可曾记得收到新玩具后，包装盒侧面这些字给你浇的冷水？长大以后，我们的高科技“玩具”变得愈加复杂而迷人。但驱动它们的电池工作原理却没有改变。

果真如此么？

智能电网（Smart grids）、混合动力车、可再生能源都是热门环保技术，但在幕后，化学家和工程师们正致力于削减电池带来的生态影响。近期羟基氧化镍、橄榄石型磷酸锂铁、纳米线等镍、锂电池化学技术方面的突破有望让明日各种数码产品放弃历史悠久但问题多多的碱/二氧化锰AA电池。

羟基氧化镍(NiOOH或NiOx)电池已经面世数年，类似碱性电池，但采用基于镍制负极以产生更高的电压（1.7V，碱性电池为1.5V）。NiOx电池一般用于高功耗应用（比如数码相机或便携式游戏产品），据称可以提供相当于碱性电池两倍的寿命。但在遥控器等低功耗应用中，NiOx电池寿命与碱性电池相当。

索尼近期首先将该技术的锂离子电池变种商业化。该技术由美国研究人员开发，使用橄榄石型磷酸锂铁(LiFePO4)作为负极。

索尼近期首先将该技术的锂离子电池变种商业化。该技术由美国研究人员开发，使用橄榄石型磷酸锂铁(LiFePO4)作为负极。索尼将新的负极材料与一种据说可以最大限度减小电阻的专利微粒设计技术相结合，实现了3.3V输出、1800W/kg功率密度的可充电电池设计，拥有长使用寿命，在2000轮充/放电后仍保持80%初始容量。该电池拥有快速充电能力（30分钟充至99%），并且在使用时维持稳定的放电电压。

该电池已应用于索尼公司的一些强力工具，并在实际应用中获得正面反馈。
最早的LiFePO4技术专利由得克萨斯大学的John Goodenough及其团队于1996年取得。LiFePO4作为解决锂钴氧化物和锂锰氧化物等锂离子电池结构放电率低、循环寿命短问题的方案被设计出来。

LiFePO4是一种高稳定性材料，科学家相信它可以被用于无数消费级应用，从手机和游戏产品的可充电电池到电动汽车等大型应用。（雪佛莱即将上市的Volt采用220芯锂离子电池）。

橄榄石结构让LiFePO4的晶格变形比其它电池结构更小，带来更好的放电过程。因此该材料的循环寿命极长，LiFePO4也显示出极佳的存储寿命。它还可以忍受氧化和酸性环境。

电池安全性方面，LiFePO4的电池结构在300°C至500°C的极高温度下仍可保持稳定，最高可以承受700°C。在这种极端温度下，其它锂电池会裂化甚至爆炸。

LiFePO4的快速充电、长寿命特性明显有助于环境保护。电动汽车采用LiFePO4电池也会获得更长的充电后行驶距离，希望推出产品与Volt竞争的汽车厂商可能会感兴趣。

纳米线电池渐具眉目

另一项前途无量的锂电池技术是纳米线电池，以覆盖着硅纳米线的不锈钢正极取代传统锂电池的石墨正极。硅能够存储的锂比石墨多十倍，使功率密度大幅提升。电池总质量减轻，增加的表面积允许更快的充/放电率。

电池通过钢正极表面所覆盖硅线的收缩/扩张输出电能。充电过程中，硅线吸收充电后的锂原子，发生扩张；放电过程中，硅线上的锂离子被吸走，硅线收缩。

电子显微镜下的硅纳米线在吸收锂前（左）后（右）的照片。网扩张至正常体积四倍，没有损伤。

传统、简单的硅正极研究始于三十多年前。当时的科学家决定放弃硅，因为这种材料在鼓起吸收锂时容易分裂、受损，致使正极容量太弱，不足以支持进一步研究。

斯坦福大学的研究人员判断问题源于当时所用硅材料的形状。

现在的方法改用直径为纸张厚度千分之一的树形纳米线。纳米线吸收锂后体积扩张至正常状态下的四倍，但硅正极不会断裂或损伤。

纳米线电池研究人员正在寻找一种适当的负极材料，取得与硅网正极相匹配的充/放电能力，从而全面展现该技术在能源存储密度方面的突出进步。斯坦福大学材料科学与工程助理教授Yi Cui正领导团队开拓此项正极技术，他们相信五年后纳米线锂离子可充电电池技术即可实现全面商业化。

以上几项技术仅仅是开始，随着深入电池研究的继续，电子产品玩家可以期待电池寿命超过玩具自身寿命这一天的到来。

编辑：博子

李小路

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