作者／chenwei
近日，美國史丹佛大學的戴宏杰研究組在《自然》發表論文，宣布研發出充電極快、壽命超長的鋁離子電池，引起了廣泛關注。比起耳熟能詳的「鋰電池」，人們對鋁離子電池的感覺要陌生得多。為什麼要研發這樣的新電池？這還得從充電電池的發展說起。
初中時，我有一部黃色的隨身聽。我給它準備了3對充電電池輪番上陣，這樣，當周杰倫的聲音突然變得緩慢時，我知道總有電池可以更換。後來，我有了MP3和手機，就漸漸不再聽隨身聽了，需要經常充電的，也從圓柱形的5號電池換成了扁扁的鋰電池。在我看來，世上無法逃避的事情，除了死亡和繳稅，還有給電池充電。
不是每一種電池都叫可充電電池
電池是生活中再常見不過的物品了。它進入人類世界已有200年的歷史。早在1800年，義大利科學家亞歷山卓·伏打（Alessandro Volta）就發明了「伏打電堆」（Voltaic piles）。伏打電堆由很多個單元堆疊而成，每個單元都有一塊銅板和一塊鋅板，中間由一塊浸有鹽水的布隔開。時至今日，生活中常見的鹼性電池、鉛酸電池、鋰電池等電池，都與古老的伏打電堆共享著同樣的工作原理：通過氧化還原反應將自己儲存的化學能轉化為電能。
這一看似神奇的過程其實並不複雜。一塊電池主要由正極、負極和電解液三部分組成。當電池與外電路聯通時，負極一端就開始發生氧化反應，釋放出電子；正極一端則發生還原反應，正好需要補充電子。由於電解液將兩極隔開，只允許離子流動，不允許電子流動，於是電子通過外電路從負極流向正極，形成電流做功，化學能也藉此轉化成了電能。
但如果用一次性電池為隨身聽供電，那麼一張專輯才放幾遍，電池就該扔了。一次性電池的電化學反應是不可逆的，也就是說，化學能轉化為電能的旅程只能一條路走到黑，電量用盡，電池也沒用了。能不能來一種可以重複使用的電池？
這種「得寸進尺」的需求，最終促成了世界上最早的可充電電池——鉛酸電池的誕生。它由法國物理學家加斯頓·普蘭特（Gaston Planté）於1859年發明。可充電電池採用的是可逆的電化學反應，只要施加外電壓，改變電子流動的方向（從正極流向負極），電池兩極就會發生與放電時方向相反的化學反應，彷彿「返老還童」，最終重新充滿電力。
這項發明影響之深遠令人不服不行——時至今日，人們在啟動汽車引擎時使用的蓄電池（俗稱電瓶）依然是鉛酸電池。鉛酸電池的負極與正極分別採用海綿鉛及二氧化鉛，電解液使用稀硫酸。它可以提供很大的電流，價錢也不貴，但就是體積太大了些。
鉛酸電池做不到面面俱到？沒關係，後面還有一堆科學家躍躍欲試呢。此後，研究者們又不斷探索，發明出採用其他化學反應的充電電池，如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。它們能量密度更大，體積更小，可以用於為各類小型電子設備提供電能。
青出於藍的鋰離子電池
之前說到，電池工作時，電子通過外電路從負極流向正極。與此同時，相同電荷量的正離子則在電池內部從負極向正極流動。早期的電池都使用諸如稀硫酸這樣的以水為溶劑的電解液。在這種情況下，電池內肩負維持電荷平衡任務的是氫離子。然而，使用水系電解液的電池，最多能達到的工作電壓也不過2伏特左右。如果我們想要獲得更高的電壓，輸出更大功率，就要使用不含水的電解液，找到替代氫離子的正離子。
查看元素週期表，最佳的候選者落在了鋰離子身上：作為3號元素，鋰的原子量只有6.9；它既輕又小，比其他大的離子更容易在電解液中移動，可謂不二之選。確定了鋰離子，接下來的任務，就是找到可以與之發生可逆反應的電極材料了。到20世紀70年代，美國化學家史丹利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在埃克森（Exxon）工作時率先發明了鋰離子電池。經過多年改良，商業化的可充電鋰離子電池在20世紀90年代初在日本推出。
鋰離子電池的負極使用石墨，正極使用鈷酸鋰，電解液則使用含有鋰鹽（如六氟磷酸鋰）的有機溶劑。放電時，嵌在石墨負極中的鋰被氧化、進入電解液，跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰；充電時，鋰則從鈷酸鋰中脫嵌，溜回石墨中，如此循環往復。這樣的電池，工作電壓可達到3.7伏特以上，能量密度大大提高。
但所謂「金無足赤，人無完人」，儘管鋰離子電池大獲成功，也免不了還有缺點——比如價格較高，容量流失，以及最嚴重的安全性不高的問題。鋰離子電池電解液使用的有機溶劑十分易燃，雖然我們可以通過加入添加劑和改進電池設計來提高電池的穩定性，卻終究不是長久之計。
厚望加身的鋁離子電池
原理上，我們只要用另一種X離子來替代鋰離子，並找到與之匹配的電極和電解液，就可以得到「X離子電池」。在眾多「X」的候選者中，鋁算是優勢比較明顯的：它的價格比鋰更低，化學性質也更穩定，而且在反應時，每個鋁原子可以釋放3個電子，似乎是個不錯的選擇。
然而，研發鋁離子電池的道路並不順利。最大的困難在於找到合適的正極材料和電解液。在以往的研究中，正極材料往往會在充放電過程中發生不可逆的結構破壞，能有效參與反應的部分因而越來越少。最終，電池容量迅速下降，使用壽命只有幾十個循環——這顯然不能滿足人們的需求。
在研究者們鍥而不捨的努力之下，上月，鋁離子電池終於迎來了大突破。史丹佛大學化學系的戴宏杰教授在《自然》發文宣布，他的研究小組成功製造出了超長壽命的鋁離子電池。
這種電池選用鋁金屬作為負極，正極則是一種三維結構的泡沫石墨。秘製電解液由有機鹽[EMIm]Cl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride）和AlCl3按一定比例混合製成的離子液體。負責在電解液中轉移電荷的離子是AlCl4–。電池放電時，鋁負極被氧化生成Al2Cl7–，同時釋放電子；本來嵌入在泡沫石墨正極孔隙中的AlCl4–則脫嵌進入電解液。充電時，電解液中的AlCl4 –則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當中。因為AlCl4 –離子的體積較大，因此找到一種可以允許它快速嵌入/脫嵌的的正極材料頗為關鍵。研究人員巧妙地製備了泡沫石墨——它內部充滿空隙，表面積很大，讓AlCl4 –離子可以快速自由地進出。
在經過驚人的7500次充放電循環後，這些鋁離子電池的容量幾乎沒有損失，工作電壓也穩定在2伏特左右。除了壽命長，這種鋁離子電池功率密度也很高（3000W·kg–1），可以在一分鐘內充滿電。此外，它們柔性極好，可以隨意彎曲；安全性能也超棒，哪怕用電鑽將它鑽穿，也不會影響它正常工作。
取而代之？
說了這麼多優點，這樣的鋁離子充電電池什麼時候能走進我們的生活？
恐怕還早得很。
目前，它的工作電壓只有鋰離子電池的一半，能量密度也只有40 Wh·kg –1，與鉛酸電池相當，還不到鋰離子電池的三分之一，所以大家應該還沒法在智能手機、筆記本電腦或電動汽車裡看到它。除了性能的提高還潛力很大之外，這些鋁離子電池的生產成本也有待降低——它的電解液使用離子液體，價格較高；用於製備泡沫石墨正極的化學氣相沉積法也不便宜、是很難投入大規模生產的工藝。要達到「物美價廉」，研究者們還有很長的路要走。
但不管怎樣，鋁離子電池在使用壽命、功率密度和安全性方面的性能依然優越，如果未來可以降低生產成本，它們將會十分適合用於在對能量密度要求不高的地方發揮作用。比如在電網儲能係統中，它們能為太陽能和風能等可再生能源儲能，還能作為家用大型電池，為電動車充電，或是在停電時為電器供電。
一旦科學家能夠研發出比泡沫石墨更好的正極材料，進一步提高鋁離子電池的工作電壓，它的用途將更加廣泛。隨身聽走了，MP3也快走了，科技產品一代又一代地從我們的生活中出現又淘汰，電池和研究電池的人卻一直還在。之後還會有怎樣的電池驚艷我們的生活？給裝備充好電，拭目以待吧。
參考文獻：
- Lin, Meng-Chang, et al. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery.Nature (2015).
- 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.
- Chen, Z. et al. Three-dimensional flexible and conductive interconnected graphene networks grown by chemical vapour deposition. Nature Mater. 10, 424–428 (2011)
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