我们中的许多人每天都很难不使用锂离子电池，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)和电网储能技术的发展，这种电池技术的未来看起来相当光明。

如此耀眼，以至于总部位于加州的标志性新贵特斯拉汽车公司(Tesla Motors)表示，他们最新宣布的家用Powerwall电池将在2016年年中售罄，强劲的市场需求可以满足他们即将到来的每年35千兆瓦时的电池“超级工厂”的产能——120万美国家庭的日常电力需求。

当索尼在20世纪90年代初发布锂离子电池时，许多人认为锂离子电池是可充电电池的突破:凭借其高工作电压和大能量密度，它们超越了当时最先进的镍氢电池(NiMH)。锂离子技术的采用推动了便携式电子革命:如果没有锂离子电池，最新的三星Galaxy智能手机的电池重量将接近4盎司，而不是1.5盎司，并且占据了两倍的体积。

然而近年来，锂离子电池的负面新闻铺天盖地。与汽油动力汽车相比，现代便携式设备的电池寿命令人失望，电动汽车的行驶里程也有限。锂离子电池也存在安全隐患，尤其是火灾危险。

这种情况提出了合理的问题:接下来会发生什么?这些问题会有突破解决吗?

更好的锂化学性质

在我们试图回答这些问题之前，让我们简要讨论一下电池的内部机制。电池由浸泡在电解液中的两个截然不同的电极组成，并由绝缘层(分离器)隔开。两个电极必须有不同的电位，或者不同的电动势，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，电势最小的电极称为负极。

在放电过程中，电子通过外部导线从负极流向正极，而带电的原子或离子在内部流动以保持中性电荷。对于可充电电池，在充电过程中这个过程是相反的。

锂离子电池的能量密度，也就是每单位重量所储存的能量，在过去的20年里，从90瓦时/千克(Wh/kg)稳步增长到240瓦时/千克，每年增长约5%，预计这一趋势将继续下去。这是由于电极、电解质成分和结构的不断改进，以及最大充电电压的增加，从传统的4.2伏增加到最新便携式设备的4.4伏。

加快能量密度改进的步伐需要在电极材料和电解质方面取得突破。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

与目前的锂离子电池相比，锂硫电池的能量密度可能会提高两倍，达到400 Wh/kg左右。锂空气电池可以带来十倍的改进，达到大约3000 Wh/kg，主要是因为使用空气作为非车载反应物——也就是说，空气中的氧气而不是电池电极上的元素——可以大大减轻重量。

这两种系统都得到了研究界的深入研究，但由于实验室努力开发可行的原型，商业应用一直难以实现。在硫电极放电过程中，硫会溶解在电解液中，使其与电子电路断开连接。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材料，或者开发新的电解质，使活性材料不溶于其中。

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

钠的救世主?

对于上述所有的电池，锂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，但不幸的是只有微量的水平，这阻碍了它在全球范围内的商业开采。虽然在一些可以开采的矿石中可以发现它，但大多数锂的生产来自高海拔盐湖的盐水，主要是在南美洲的安第斯山脉。

尽管这种提取相对困难，碳酸锂可以以每公斤6美元左右的价格购买，而且由于电动汽车电池组只需要大约3公斤碳酸锂，因此迄今为止其成本并不是主要问题。

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

一种可能的解决方案是用钠元素代替锂，钠元素的含量是锂元素的2000倍。

从电化学角度讲，钠几乎与锂相当，这使它成为电池的极好候选者。钠离子电池的研究近年来爆炸式增长，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带来比锂离子技术更大的成本或性能优势，但它可以为每个国家提供一条利用现成资源制造自己的电池的途径。

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。威胁来自易燃的溶剂型电解质，这使得它可以在高于2伏的电压下工作。

事实上，因为水在2伏以上就会分解为氧和氢，所以它不能用于3伏级的锂电池或钠电池，而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不能在室温下为离子提供足够好的导电性，以处理高功率应用，例如为汽车供电，因此不能用于商业电池。

幸运的是，根据目前的锂离子技术，据估计，4000万个电池中只有一个会发生严重的故障(火灾)。虽然风险不能被完全抑制，但工程控制和保守的设计可以控制风险。

总而言之，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，如风能和太阳能的存储，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具可持续性和成本效益，但这可能是另一篇文章的故事。

马修·杜巴里(Matthieu Dubarry)是夏威夷大学夏威夷自然能源研究所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。本文最初发表于谈话．