我们很多人都很难一天不用锂离子电池，这种技术为我们的便携式电子产品提供动力。随着电动汽车(ev)和电网储能的出现，这种电池技术的前景看起来相当光明。

如此明亮，以至于总部位于加州的标志性新创特斯拉汽车公司表示，他们新宣布的家用Powerwall电池在2016年年中之前已经售罄，强劲的市场需求可以满足他们即将建成的电池“超级工厂”每年35千兆瓦时的产能，这相当于120万美国家庭每天的电力需求。

当索尼在20世纪90年代初推出锂离子电池时，许多人认为锂离子电池是可充电电池的突破:其高工作电压和大能量密度，超过了当时最先进的镍金属氢化物电池(NiMH)。锂离子技术的采用推动了便携式电子革命:如果没有锂离子，三星(Samsung)最新款Galaxy智能手机的电池重量将接近4盎司，而不是1.5盎司，体积也会增加一倍。

然而近年来，锂离子电池的负面报道越来越多。与汽油动力汽车相比，它们为现代便携式设备提供了令人失望的电池寿命，电动汽车的行驶里程也有限。锂离子电池也有安全隐患，尤其是火灾的危险。

这种情况引发了合理的问题:接下来会发生什么?会有突破来解决这些问题吗?

更好的锂化学

在我们试图回答这些问题之前，让我们简单地讨论一下电池的内部机制。电池由浸泡在电解质中的两个不同电极组成，并由绝缘层(隔膜)隔开。两个电极必须具有不同的电势，或不同的电动势，由此产生的电位差决定了电池的电压。电势最大的电极称为正极，电势最低的电极称为负极。

在放电过程中，电子通过外部导线从负极流向正极，而带电原子或离子则在内部流动以保持中性电荷。使用可充电电池时，充电过程正好相反。

锂离子电池的能量密度，即每单位重量储存的能量，在20年间从90瓦时/公斤(Wh/kg)稳步增长到240瓦时/公斤，每年增长约5%，而且预计这一趋势将持续下去。这是由于电极、电解质组成和结构的不断改进，以及最大充电电压的增加，在最新的便携式设备中，从传统的4.2伏增加到4.4伏。

要加快能量密度的提高，需要在电极材料和电解液方面都取得突破。人们期待的最大飞跃将是引入单质硫或空气作为正极，并使用金属锂作为负极。

在实验室里

锂硫电池有可能将目前锂离子电池的能量密度提高两倍，达到约400 Wh/kg。锂-空气电池可以提高10倍，达到约3000 Wh/kg，主要是因为使用空气作为场外反应物——即空气中的氧气，而不是电池电极上的元素——将大大减轻重量。

研究界正在对这两种系统进行深入研究，但由于实验室难以开发出可行的原型，因此商业可用性一直难以捉摸。在硫电极放电期间，硫可以溶解在电解液中，从电子电路断开。这减少了在充电过程中可以从硫中去除的锂的数量，并损害了系统的整体可逆性。

为了使这项技术可行，必须达到关键的里程碑:改进正极结构以更好地保留活性物质或开发活性物质不可溶的新电解质。

锂-空气电池也存在反复充电的困难;这些困难是由电解质和空气之间的反应引起的问题造成的。此外，在这两种技术中，锂电极的保护是一个需要解决的问题。

钠的救星?

对于前面提到的所有电池，锂都是电池的重要组成部分。锂在世界上是一种相当丰富的元素，但不幸的是，它的含量很低，这阻碍了它在世界范围内的商业开采。尽管在少数可开采的矿石中发现了锂，但锂的大部分产量来自于高海拔盐湖的卤水，这些盐湖主要位于南美洲的安第斯山脉。

尽管碳酸锂的提取相对困难，但每公斤碳酸锂的价格约为6美元，由于一个电动汽车电池组只需要大约3公斤碳酸锂，其成本迄今为止并不是主要问题。

这里的担忧更多的是关于地缘政治:每个国家都在寻求能源独立，用锂电池取代石油作为运输燃料只是把对中东的依赖转移到南美。

一种可能的解决方案是用钠元素取代锂，钠元素的含量是锂的2000倍。

从电化学的角度来说，钠几乎可以与锂相媲美，这使得它成为电池的一个非常好的候选者。近年来钠离子电池的研究呈爆炸式增长，一旦这些电池商业化，它们的性能可能与锂离子电池相当。

虽然钠离子电池可能不会比锂离子技术带来任何显著的成本或性能优势，但它可以为每个国家提供一条利用现成资源制造自己电池的道路。

没有灵丹妙药

无论如何，所有这些新兴技术都可能面临与当前锂离子电池同样的安全问题。这种威胁来自于易燃的溶剂型电解液，它可以在高于两伏的电压下工作。

事实上，因为水在两伏特以上就会分解成氧和氢，所以不能用于三伏特级的锂或钠电池，而是被昂贵的易燃碳酸盐溶剂所取代。诸如无溶剂电解质之类的替代品在室温下不能为离子提供足够好的导电性来处理大功率应用，例如为汽车供电，因此没有用于商业电池。

幸运的是，在目前的锂离子技术下，据估计，4000万个电池中只有一个会发生重大故障(火灾)。虽然不能完全抑制风险，但工程控制和保守设计可以控制风险。

总之，目前的锂离子电池提供了相当好的性能。锂-硫或锂-空气等新兴化学物质有可能彻底改变便携式储能应用，但它们仍处于实验室研究阶段，无法保证成为可行的产品。

对于固定储能应用，如储存风能和太阳能，其他类型的电池，包括高温钠硫电池或氧化还原液流电池，可能比锂离子电池更可持续，更经济，但这可能是另一篇文章的故事。

Matthieu Dubarry是夏威夷大学夏威夷自然能源研究所的电化学和固态科学助理研究员。Arnaud Devie是该研究所的博士后研究员。这篇文章最初发表于谈话．