人類的電池技術停滯不前嗎？材料才是關鍵

當2009年蘋果重新設計MacBook Pro時，它採用了一種新型電池，使得電池續航能力比之前模型長了40%。這款筆記本電腦可以維持7小時，蘋果營銷總監菲爾·席勒（Phil Schiller）將這款電池稱為「革命性的」，但事實上它的確如此嗎？

過去20年間發生的科技飛躍實在令人瞠目結舌。計算機已經從功利主義的盒子轉變為由金屬和玻璃組成的線條明朗的矩形，且小到能夠放在口袋裡。現在的設備要強大得多，一款新型智能手錶的計算能力比阿波羅登月飛船的都要強大。然而，電池是另外一回事。

即便消費者電子產品製造商，從蘋果到三星，為了讓設備擁有更長的電池壽命投資了上百萬美元的科研資金，科技本身卻無法在未來幾年就發生翻天覆地的變化。但這並不會減緩高度依賴電池的小配件數量不斷上升的趨勢。

為什麼電池技術停滯不前一直是研究人員討論的話題之一，很多人表示我們已經到達科學的極限。無論真正的原因是什麼，消費者將需要竭盡全力高效利用需要電池驅動的設備。

電池是科技的命脈。 根據歐洲知名研究機構法國Avicenne Energy的估計， 1990年，隨著鋰離子電池湧入市場，全世界對電池的需求高達200000萬兆瓦時。這相當於444億個勁量極限AA鋰電池，足以環繞地球57次。截止20年後，也就是2013年，這一需求已經翻倍。

市場研究公司Lux Research預測截止2020年，僅用於驅動電子設備的電池花費將高達266億美元，比2014年大約增長了30%。大多數需求來自智能手機和平板電腦，預計兩者在未來6年將增加45%。用於交通，例如汽車的電池花費將翻倍，高達209億美元。

考慮到如此巨額的消費，研究人員正在努力改善電池壽命。即便如此，可以物質化的突破性進展寥寥無幾。

目前，應用於消費電子的鋰電池，在負極材料方面大多採用石墨材料，正極方面多是鈷酸鋰。

鋰電池的原理非常簡單，就是正極、負極依賴於氧化還原反應，帶電的鋰離子在電解液中來回穿梭。

鋰離子電池都已經應用了20年了，靠鋰離子通過電解液在鈷酸鋰正極和碳負極間運動來實現充放電，基本原理很清楚，電池性能的進步空間有限了。最新的研究也都是開發出新型的正負電極材料，實現穩定的充放電循環，但科研進展報道的很多，但涉及到商業化應用，最大的問題就是製備成本過高。

目前，在消費電子領域，鋰電池的正極用料是鈷酸鋰，負極用料也一直都是石墨。雖然在負極材料方面，石墨烯取得突破性進展，但是無法商業化，因為石墨烯太太太貴了。

例如，現在有一些石墨烯電池的研究和報道，但更多的是對石墨烯的概念炒作，他們也只是把石墨烯這種明星材料少量的添加到鋰離子電池中去，算是摻雜了石墨烯的鋰離子電池。石墨烯在電池裡或者增加電解液的導電性用，或者直接摻在負電極材料中，有很多高性能的類似報道，然而綜合性能也難以實現突破，受限於石墨烯材料的價格和製備工藝，短期也沒法實現純石墨烯電極的應用。

現在比較熱門的一個是無線充電，一個就是超級電容，還有一個是核電池。

先說核電池，現在已經不是什麼黑科技了，技術已經比較成熟，早在2006年，中國原子能科學研討院就研製出了我國第一個鈈238同位素電池，給探月工程準備的。

還有，核動力心臟其實也都研究出來了，但是很遺憾的是，核能電池雖然技術已經日漸成熟，但還是太太太貴了。

對電池來說，其核心技術在於材料的研發，前面也說過，透過不同元素之間的組合、原子以不同的方式排列就會得到更先進的材料，如果是用過去不斷試錯的手段，就會投入多年的時間和大量的金錢，才能發展出一種新材料的低成本加工製造方式。如今，我們有了計算機，利用計算機模擬來「猜測」各種元素之間的組合是否能滿足需求，因此大幅加速了新材料的研發、縮短了新材料進入市場的時間。

越先進的材料，需要的計算機運算能力就越高，這是為什麼我們還需要等待一段時間才能在材料科技上有突破的理由。摩爾定律到目前為止一直有效，未來很長一段時間也會繼續發揮作用，直到人類將光子電腦、量子電腦也商用化，到那個時候，計算機效能將是現在的千倍、萬倍，新材料進入市場的速度會更快，電池技術無疑會達到一個新高度，一個類似科幻小說中描述的世界。

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