最终改变世界的会不会是这种期待已久的技术呢?
设想一下:目前有一项技术正在测试中,一经向公众发布,将成为人们期待已久的能源革命。这项新技术有望比我们现在市场上的任何东西更安全、更高效。这将影响我们认为平凡的——电动工具、玩具、笔记本电脑、智能手机——以及我们认为与众不同的——医疗设备、航天器和创新的新型汽车设计,这些设计需要让我们摆脱化石燃料。我们已经了解这项技术几个世纪了,但直到现在,我们只能朝着它的创造迈出一小步。数十亿美元正投入研究,一旦技术得到完善和发布,将再投入数十亿美元。
这个描述听起来可能很像融合力。然而,它实际上指的是电池技术领域即将进行的创新,特别是固态电池领域的创新。虽然聚变能和固态电池都被贴上了未来技术的标签,但从未被贴上过今天标签,但多年来,固态材料的进步和投资却大幅增加。今天,不仅有许多大公司和可信的研究人员参与其中,看来我们可能最终开始看到这些电池在未来几年内发布。
一旦这种难以捉摸的变革性技术最终准备好大规模生产,我们还能期待什么呢?
电池只不过是储存化学能量并将其转化为电能的设备。它们有四个主要部分:阴极、阳极、电解质和分离器。阴极和阳极是电极。当电子从一个电极传递到另一个电极时,我们的电流就会产生。在这种情况下,电子从负电荷阳极传递到带正电荷阴极。因此,两个电极的作用是产生我们的电流。电解质溶液允许带正电荷的离子在两个电极之间流动。这平衡了电子的流动。最后,分离器将两个电极分开,防止电池短路。
我们目前的电池和未来的固态电池有一个重要的区别:电解质。目前的锂离子电池有一个液体电解质。不幸的是,液态电解质中存在的某些化合物允许被称为树突的晶体结构的生长。树突产生长而锋利的胡须,可以刺穿分离器并导致短路,从而导致危险的爆炸。顾名思义,固态电池具有固体电解质,可以抑制这些有害树突的生长。更何况一旦电解质从液体切换到固体,就会发生一些惊人的事情。
电池具有较高的能量密度,火灾和爆炸的风险大大降低,占用的空间更少,并且能够在更广泛的温度下工作。例如,让我们来看看这对车辆意味着什么。
到目前为止,电动汽车最大的缺点是其有限的驾驶范围。电动汽车的平均充电里程为 250-300 英里(402–483 公里)。车辆完全充电需要 1 小时到 17 小时不等,具体取决于车辆是在车站充电还是在家里使用标准插座。然而,电动汽车的受欢迎程度预计将继续增长,最终主导汽车行业。为了达到这个点,他们需要扩大他们的范围至少450英里(724公里),同时保持负担得起的消费者。
现在让我们介绍固态电池。
电动汽车的行驶范围是目前数量的两倍或三倍。公司可以选择制造更小、更轻的电池,充电速度更快,或者将电池尺寸与范围更广的电池相同。充电时间也减少到只有15分钟。如果我们看看三星在固态电池方面的进步,我们看到他们能够开发出一种电池,每次充电范围为 500 英里(805 公里),充电和放电次数可超过 1,000 次。电池续航里程为 500,000 英里。同时能够在更极端的温度下高效运行。
类似的东西可能是燃气动力汽车的终结。对于笔记本电脑和智能手机,这意味着这些设备可以持续数天(非常快)充电,电池的整体使用寿命从2年增加到10年以上。医疗设备可以变得更加便携和紧凑,而更大的温度范围意味着固态电池可以在未来的空间技术中应用。
这种潜力并没有逃脱实力雄厚的公司的注意。大众、福特、宝马、现代、丰田和比尔盖茨都投入了数十亿美元进行实体研究。比尔·盖茨支持的昆腾景观公司生产了具有耐树突生长的陶瓷层的固态电池,能够在较低的温度下工作。丰田计划到2025年限量释放使用固态电池的车辆。然而,最令人兴奋的突破来自一个你可能从未听说过的人。
由物理学家约翰·古德诺领导的一个研究小组已经提交了玻璃和陶瓷固态电池的专利,这种电池稳定、不可燃,充电速度更快,储能比普通锂离子电池高3倍。这是通过添加钠或锂在电池中形成电极来实现的。同样重要的是,电池价格实惠,估计可持续超过 2,000 次充电和放电周期。玻璃电池的运行温度范围在 -4o F 和 140o F(-20o C 和 60o C)之间。
古德诺本人并不是普通的科学家。他赢得了8个科学奖项,包括诺贝尔化学奖。他过去的改变世界的创新包括原始锂离子电池和RAM需要让你的电脑运行。他的参与——以及许多大型竞争公司的参与——已经使固态电池触手可及。我们可能在短短3或4年内开始看到有限的这种技术发布,虽然很难说何时能向公众实现更广泛的发布。
电池代表的不仅仅是便利。它代表了拯救世界的关键要素。更有能力的电动汽车可以给汽车市场带来剧烈的转变——从排放更重的燃气汽车转向排放更重的燃气汽车。固态电池也可以用地球友好型材料生产,比如我们丰富的海水中的钠。但也许最重要的是,固态电池的到来将代表我们最聪明的头脑的能力:能够使真正的技术,我们已经知道了几个世纪,梦想了几十年。它不必永远保持未来的技术,但可以是当今的技术。