科学家和工程师们一直相信，电池有望改变世界。如今在电能存储的问题上，电池更是引人瞩目。先进电池正在走出实验室，电池的应用已从智能手机迅速扩展到智能电网，从特定市场逐渐成为电力市场上的主流。而电动汽车和屋顶太阳能电池板等前瞻性技术的出现，预示了能源技术的发展将进入一个重要的转折点。
阿贡国家实验室的科研人员在测试电池
可以有把握地说，大一化学课很少会成为大学生最难忘的课程之一：拥挤的讲演厅里坐满了手托下巴的18岁大学生，每当授课老师讲到普朗克常数或氢的波尔模型时，眼皮下垂者、哈欠连天者，比比皆是。
为此，当唐纳德·萨杜威（Donald Sadoway）1995年在麻省理工学院（MIT）开始教授化学时，尽管他讲的是结晶状态或无定形固体状态时的原子排列，但他却以一种不同寻常的方式来讲解，试图活跃课堂气氛――从一些只有MIT大学生心领神会的关于化学的笑话趣事开始，将有趣的内容融入枯燥乏味的化学等式和元素周期表中。
一生爱好音乐的萨杜威博士，在授课时会将代表某种象征意义的音乐曲调与化学课内容结合起来，例如，讲授氢键时，他会提及韩德尔的经典名曲“水上音乐”，在讲授聚合物时，他会提起艾瑞莎·富兰克林的音乐舞曲，而在讲解著名的DNA双螺旋时，他会将汉克·巴拉德版的“扭曲”融入其中。
如今，萨杜威感兴趣的另一个课题似乎会更让学生觉得乏味：电池。但他很清楚，能与这个课题相配的音乐是约翰·列侬1971的歌曲“权力属于人民”。
电池的影响力正在不断上升
“我认为电池行业是一个很有社会意义的行业。”萨杜威说。他开创了自己的电池公司，希望以此来改变世界能源的未来。“这可是将电力带给那些不能供电地区人们走出的重要一步；而对于有着电力供应的人来说，也是一种能源补充形式。”他说。
对于大多数人来说，只有当他们的智能手机电力不足，或烟雾报警器开始哔哔声不断时，才会想到要给电池充电。但萨杜威所想的是，电力储存问题是一个更清洁、更高效、更公平的未来能源所不可或缺的一环。事实上，有这种想法的并不只是他一个人。
科学家和工程师们一直相信，电池有望改变世界。如今在电能存储的问题上，电池更是引人瞩目。先进电池正在走出实验室，进入庞大的产业界。电池的应用已从智能手机迅速扩展到智能电网，从特定市场逐渐成为电力市场上的主流，电动汽车和屋顶太阳能电池板等前瞻性技术的出现，预示了能源技术的发展将进入一个重要的转折点。
当然，传统电池已经走过了漫长的道路，正因为有了电池，我们可以将更多的计算机能力装在我们口袋里的电子小玩意中。也正是因为有了电池，我们可以随时用手机在公共汽车或餐桌上给自己拍摄照片。电池，特别是锂离子电池，造就了我们的移动生活方式，我们的影视文化，我们日益全球化的超级连结世界――通过闪闪发光的屏幕，整个地球上数十亿人，可以天马行空地漫游和交流。
所有这一切都令人兴奋，但如果与接下来将要发生的事情相比较，却可能微不足道。已经开启了通信革命的电池，正在改变一切，从我们如何照明，如何从A地到B地，到将电力传输到交通闭塞的穷乡僻壤。
无线时代的迅速发展，普及的不仅仅是我们的手机、平板电脑和笔记本电脑，还包括了我们的汽车、家庭，甚至整个社会。在新兴的经济体中，农村地区已经跨越了利用电线和电线杆传输电力的时代，在非洲和亚洲一些地区，人们已经首次用上了利用太阳能电池发电的照明灯。
据波士顿勒克斯咨询研究机构（Lux Research）称，如今，能源存储已是一个高达330亿美元的全球性产业，年产近100千兆瓦时电力；到2020年预计超过500亿美元，生产电力达160千兆瓦时。“电池革命已经开始，但要完成它需要数十年时间。”勒克斯咨询机构的电池分析师科斯明·拉斯劳乌（Cosmin Laslau）说道。
如果顺利，这场革命意味着我们将拥有更合理、更广泛、更洁净的能源结构。随着为满足世界偏远地区数十亿人的日益增加的电力需求的努力，电池革命正在取得突破性的进展，同时也减少了对化石燃料的过度依赖。一个困扰人们多个世纪的难题是：如何获得更便捷的电力。而随着对这个问题有了日渐理想的答案，其他一些具有同样挑战性的问题，似乎也不那么棘手了。
诚然，在充电技术完全取代加油站之前，电池产业的发展还有很长的路要走，今天的电池并非没有缺点，而一个通过电池供电的电气化世界也存在着风险。没有人知道，未来什么样的电池技术最终会占据主导地位。如果有这样的技术的话。但有一件事是确定无疑的：能源的未来在于我们如何储存电能。
电池的影响力正在不断上升，电池产品的价格也在日益下降。就像太阳能生产厂家大力推广的太阳能电池板一样，电池也必将经历一番与主流燃料设备如活塞发动机、发电机和其他基础设施之间的激烈竞争。近年来电池成本也在沿曲线急剧下降，就像太阳能电池板一样。
根据今年早些时候在《自然气候变化》杂志发表的一项研究称，从2007年到2014年，电动汽车电池的成本下降了一半还多，从每千瓦时1 000多美元下降到每千瓦时410美元左右。虽然这个价格没能让每个车库里的汽车都换成电动汽车，但却足以形成一个特定的小众市场，可以让这项新技术在城郊地区的汽车族中迅速传播开来。
根据勒克斯的预测，到2025年，电动汽车电池的成本将下降至每千瓦时172美元。“回顾一个世纪以来的历史，技术发展史上最重大的事件之一是发明了内燃机。”拉斯劳乌说道。“而如今我们正面临一个转折点，替代能源已经出现，并已逐渐取得了稳固的地位。”
据《华尔街日报》称，科技巨头谷歌有一个专门研究更先进电池的神秘研究团队。一些分析师推测，苹果公司也在做着同样的事情。几乎所有主要的汽车制造商都在销售电动车业务，特别是丰田和通用汽车，都投入了巨资用于设计电动车所用的新型电池――这是一场真正的竞争，旨在生产出人们负担得起的、一次充电可开200英里的电动汽车。许多分析师认为，如能达到这个目标，将会极大地推动全球汽车业的能源转型，从传统燃油汽车转向电力驱动的电动车。
着眼于电池未来的并不仅仅只是美国人。日本的松下和韩国的三星这两个跨国公司长期以来一直主导着锂离子电池这一领域。中国企业在电池行业也投入了数亿美元，希望以这一新技术来满足日益增长的需求。中国的锂离子电池市场预计到2017年将增长400%。德国正在为能源转型而努力――德国在卡尔斯坦兴建的可充电电池生产设施是欧洲规模最大的。
电池是电网的最好补充形式
位于加利福尼亚的美国特斯拉汽车公司是推动电池革命最坚决的厂家之一。在过去的12年里，特斯拉公司一直在生产电动车，目前生产出的充电一次能跑200公里的电池驱动汽车，由于其价格高达70 000多美元，让大多数人望而却步。即使特斯拉公司的锂离子电子技术没能取得重大新突破，但他们仍然有信心推广其生产的电动汽车。去年2月，该公司公布了一项50亿美元的超级电池工厂的“Gigafactory”计划，这项计划完成后可为50万辆汽车提供动力。
特斯拉在电池领域内的发展雄心远远超越了其他汽车行业。在公司首席执行官艾伦·穆斯克（Elon Musk）的设想中，未来电池与太阳能面板的结合，可以为房屋、企业或整个社区提供电能。利用存储的备用电源设施，将直接解决可再生能源供应的不足之处――因为阳光不会每天都有，风也不会每天都刮。通过新型电池与太阳能的结合，将我们对化石燃料的需求转向对一个45亿岁、离我们9 300万英里远的“电厂”的依赖。
“天空中的这个便捷的聚变反应堆是太阳。”4月，穆斯克在特斯拉储能设备配套厂的开工仪式上说道。“不需要我们做任何事，它每天都会出现在空中，为我们提供取之不尽的能源。”
据大多数分析师预计，特斯拉的家用电池组Powerwall，至少在相关成本下降之前，只能吸引为数不多的家庭，其发电能力介于7千瓦时～10千瓦时之间，价格从3 000美元～3 500美元。但Powerwall电池发电组对于企业和公用事业却有一定的吸引力，具有经济上的刺激因素，可以避免因能源供需之间的波动带来的风险。特斯拉希望2017年Gigafactory投产后，其所产生的规模效应将推动价格的下降，以此吸引更多的家庭。
穆斯克估计，大约需要20亿组Powerpacks电池才能满足整个世界的需求。
美国国家工程院在评选20世纪最伟大的工程时，没有选择汽车或飞机，甚至没有选择任何高端电子产品。它选择的是电气网格。
这也许不该令人感到惊讶。电网是现代文明的主动脉，是发达国家给几乎每个家庭和工厂带来电力与照明的渠道，但它有一个根本性的缺陷。“电气网格是地球上最大的供应链，但其库存却为零。”萨杜威在MIT实验室里说道。“而我们这个实验室里为照明提供的电力就是刚刚生产出来的。”
换句话说，电能可以量身定制。电网运营商为满足需求，要不断地调整发电机的数量，增加或减少发电量。发电厂的部分设备在很多时候都是空闲的，只有在夏季高温季节或极地漩涡冰寒气候下，才会全力运转。如果供需失衡，“事情就会变得很糟糕。”萨杜威说道。
因此，电池作为电网的一种最好的补充形式也就不足为奇了――电网级电池通过能量储存方式给供电系统提供一种更好的配电方式，以满足瞬间激增的电力需求。“就像我们有了水池，即使天不下雨，也不用担心没水洗澡一样。”萨杜威说道。“如果我们有了这种可以储存的电力，就能使电力供应链更加稳定。”
尽管如此，萨杜威也有些疑虑，如今的锂离子化学能否承担这个重任？为此，他和他的学生开发出了一种液态金属储能电池。与锂离子电池相比，前者可储存更多的电能，最重要的，它的使用寿命更长，而且其内部化学结构不会随着时间推移而降解。这意味着在完全损耗之前，可以进行成千上万次的充放电过程。包括萨杜威团队使用的镁、锑电池原料是地球上储量最充足的矿物质，而不是如今电池普遍使用的稀缺金属锂。
为实现这项技术的商业化运作，早在2010年，萨杜威和他的一个学生戴维·布拉德韦尔（David Bradwell）创办了一家名为Ambri的公司。五年后的今天，Ambri公司拥有了50名员工，超过5 000万美元的融资，以及在马萨诸塞州建立了一个原型制造工厂。今年年底，Ambri将推出两个试点项目，并最终希望出售其模块化电池给电力事业单位、医院和其他一些需要应变电力的机构。
寻求能源存储技术的重大突破
在芝加哥西南的一片树林里，战后美国的一个重要科研基地――阿贡国家实验室――就坐落在这里。核能发电是从这里诞生，人类第一次登月带回的岩石就在这里分析，世界上第一幅人体超声波图像也在这里产生。
对于科学界来说，如今这一占地1 500英亩的阿贡国家实验室，仍然是原子时代的一座圣殿，但其重心已偏重于如今我们所面临的种种挑战。那些在阿贡实验室工作的科学家们，正在探讨着如何让人类摆脱对曾经造就人类文明的含碳燃料的依赖，旨在改变地球被烟雾笼罩、大气中充满二氧化碳等温室气体的现状。
通过发明更好的电池，寻求从根本上解决能源问题的办法，而不是开发更好的太阳能电池板或风力涡轮机，这是阿贡实验室某一研究团队的目标。由阿贡实验室牵头的储能研究联合中心（JCESR），目前正在寻求能源存储技术的下一个重大技术突破，即能源存储能力至少要达到如今电池的5倍，而成本只是电池的以五分之一。
2012年年底，JCESR从美国能源部获得了1.2亿美元的拨款，计划于五年内达成这一目标。JCESR的杰夫·钱伯兰（Jeff Chamberlain）认为，尽管时间很紧迫，但如果能达到目标，这对于能源行业的意义，不亚于互联网对于全球信息沟通所做的贡献。
在局外人眼里，JCESR就像一个尝试各种烹调方式的厨房，当然他们的烹饪原料非常独特，从元素周期表到宇宙基本定律。他们的“烹饪食谱”是：取一撮锰、添加少许镍、再加入一些钴，然后在400℃的高温下烘焙30分钟，他们希望通过类似这样的实验，来寻求改变世界未来的技术或方法。
实验室里的一天就像“一场物理学考试”，阿贡实验室小型电池原型测试负责人杰森·克罗伊（Jason Croy）说道。“你要琢磨的是你所不明白的，也没有其他人明白的事情。”
电池的基本原理其实很简单。一端是阳极，另一端是阴极，中间是化学电解质。电池在使用时，阳极释放称作离子的带正电荷的原子穿过电解质到达阴极，阴极然后吸引称为电子的带负电荷的粒子通过外部电路，给连接设备提供运行动力。当电池插入充电器时，离子回流到阳极，将电能转化为化学能储存起来。
“电池的科学原理是真正的基础科学。”克罗伊博士说道，“这是物理学在原子和亚原子级别上的基本问题。”
意大利科学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）被公认为是电池领域的奠基人，早在1800年，他就开发出金属圆盘与纸板合成的最原始的电池。60年后，第一个铅酸电池问世，如今仍然在大多数汽车上用作储能装置。20世纪上半叶，锌-碳化电池被用于许多便携式设备上。碱性电池的崛起，为1960年代出现的性能更好的手电筒、远程控制装置和便携式电子设备铺平了道路。1980年代出现了密度高、重量轻的锂离子电池，推动了今天的移动通讯革命。
如今，JCESR要超跃锂离子，迎来电池领域内下一波重大技术突破，包括不同的离子、新的化学反应，以及独特的电池结构。JCESR的另一个使命是研制新电池技术的繁琐过程流程化：测试电池原型，在实验室内扩大规模，在工厂生产线上大量生产，最后安装在人们驾驶的车辆上。
自称为“底特律小子”的钱伯兰亲眼目睹了美国制造业的衰落。“我的祖父和叔叔都是福特汽车的终身员工……我们亲眼目睹了底特律的衰落。”他说。“这样的结果是否可以避免很难说，但如今的一些技术机遇有希望将创新和制造业重新带回到我们的这片土壤上。”
31年前，摩托罗拉推出了世界上第一部商业手机――一个笨拙的“厚砖”重达两磅，标价为3 995美元。一时间它赢得了华尔街富人的青睐，但对于普通消费者来说却望尘莫及，固定电话或汽车电话还勉强可以。当时没有人会想到，便携式手机如今会在公众中普及开来。
今天的电池也处于类似的关键时刻。诚然，电池早已普遍用于笔记本电脑和其他一些设备上。但问题是，下一代电池的成本价格和存储能力，是否足以让电动汽车和家庭能源系统像如今的iPhone一样普及开来。
当然，能源问题和电信是有很大不同的，它可能需要更长时间来改变世界上庞杂的管道、发电厂、输电线路网络。但从大量人力财力投放到下一代电池研发的趋势来看，这种变化已经开始。
萨杜威对电池未来不可预测的发展前景充满信心，他一边在为他的公司潜心开发新的电池技术，一边在MIT的课堂上给学生们授课。“有知识的聪明人无所畏惧，面对似乎不可能的问题，他们依然充满热情。”他对他的学生们如此说道，“我们应该驾驭好这种热情和知识所赋予的力量。”
资料来源 www.csmonitor.com
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