电池的未来

作者：Darrell Dunn 柯睿 译    来源：信息周刊

欢迎访问e展厅 展厅 2 音响/数码产品展厅 数码相框, 音频播放器, 音响,... 为了给移动设备提供更多的“乳汁”，研究人员已把目光投向了燃料电池、小型燃气涡轮引擎和新型化学物等新奇的产品。 在移动技术领域，我们总是把永不停息的技术进步视为与生俱来的权利。对笔记本电脑、音乐播放器、掌上电脑(PDA)和手机而言，不断的“瘦身”是必须的，与此同时，还要增加功能、提升速度、扩展内存。但是，有一样东西拖了后腿—那就是电池。 近来频频发生的笔记本电脑着火事故，使电池问题引起了各方高度关注。事件的起因是索尼公司(Sony，下称索尼)在生产过程中存在问题而造成600多万块电池被召回。当事件明朗化以后，人们仍然需要面对这个不争的事实—电池的电能问题还在牢牢地束缚着我们，数字化作业或游戏的能力因此也受到很大限制。更不幸的是，近年来这种状况没有多大改观。电池能量与用户的需求相比，还相距甚远，并且缺乏重大突破—尽管这些设备的电池供电能力比以前已有了一定的提高。 移动设备电池是一个亟待突破的技术领域。因此，一些专家认为，消费电子产品、笔记本电脑和通信行业等应该从现有电池的概念框架跳出来，用新型替代技术来给便携式移动设备供电。他们的一些想法确实异想天开。例如给手机装块氢燃料电池，再如给黑莓(BlackBerry)PDA上安装一个小型燃气涡轮引擎等。这些概念很超前，但是若要摆脱每隔几小时就得充电的束缚，进行类似这样的大胆试验却是必要的。 芯片上的涡轮引擎 麻省理工学院(MIT)的研究人员正在进行试验，借助于微电子机械系统在电力领域的不断发展，在硬币大小的硅芯片内部建立微型燃气涡轮引擎。这种装置的持续供电时间相比同等重量的电池要长10倍，开发人员就这样创造出了一种体积更小的发电机。这个微处理引擎模型由6片粘合在一起的硅晶片组成，其中压缩机、燃烧室、旋转涡轮和其他必需的功能模块被固化在独立的硅层中。燃料和空气会在微小的燃烧室里混合并燃烧。微型材料做成的涡轮叶片以每秒两万转的速度高速旋转。 “我们已经证实所有零件均能正常工作。”麻省理工学院航空航天系教授艾伦•爱泼斯坦(Alan Epstein)说，“现在面临的挑战就是让它们协同作战，即整合组在一起。”爱泼斯坦预测说，这个发电模型一年之内可以展示。不过要想投入商用的话，它还得再花费3年甚至更久的时间。 即使这种电源得以完善，它也得跨过阻挡在电池替代技术前面的障碍。如果它的价格就像现在的电池这样便宜，那么它能够达到每年数亿块电池的产量吗？人们会愿意在口袋或钱包里头揣个内燃机吗？ 氢燃料电池是即将诞生的另一款替代产品。亚利桑那州立大学(Arizona State University)的化学家堂•吉尔瓦西奥(Don Gervasio)正在研究一种氢燃料电池，它使用浓度为30%的硼氢化物的混合物溶液，产生出比同等体积溶液—氢更高级的富氢。他解释说，这种硼氢化物溶液比传统的燃料电池更加稳定，也更加安全一些。 “我们正在制造一个硼氢化物容器，在里面即使点燃火柴也可以轻易熄灭。”吉尔瓦西奥表示。可以看出他很关心这个任何新型电源都会面临的安全问题。溶液流经钌元素制成的催化剂时释放出氢，然后穿过一层薄膜，同燃料电池中的氧气相结合，从而产生电力。 这种办法必须得克服一些阻碍。在研发初期，由于反应过程产生了一种无法溶解的副产品，导致制氧电解槽受到阻塞，研究一度受挫。研发团队后来使用乙烯乙二醇(一种防冻剂)来溶解硼的氧化物，同时不影响氧气的产生。吉尔瓦西奥解释说，他带领的团队再要1～3年的时间就可以开发出工业化产品的原型，不过商用产品则要再过几年才能够问世。 其他公司还在继续研究另一种以液态甲醇为原料的燃料电池，但目前还没有哪一家的开发接近成功。因为它要满足3个条件：电量要满足笔记本需求，体积要小到能插入电池槽狭小的空间，同时制造成本还要和现在的电池接近。 有限的选择 锂离子电池自上世纪90年代起开始替代镍氢电池，90年代末逐步成为笔记本电脑和手持设备的主流配置。主要是因为在同样的体积下，锂离子能够存储更多的电能，也远比镍氢材料来得轻便。过去几年来，锂离子技术在能量密度上又提高了20%～30%。根据便携式可充电电池协会(Portable Rechargeable Battery Association)的数据，现在普通的笔记本电池一般都能达到供电4～5小时，而在2004年只能维持3小时。目前全世界每年生产的锂离子电池大约有20亿块。 多数锂离子电池都是以内部的氧化钴负极为基础的。因为它的材料中包含氧，因此极其不稳定。如果锂离子的生产稍有不慎，就可能产生短路或者过热现象，在某些场合下，电池电解槽内部的火花就可能着火。大型笔记本制造商中多数已经召回了索尼生产的电池，关于电池替代产品研发的新闻报道持续见诸报端，也让这个鲜有人关注的产业成了媒体焦点。 好消息是，问题似乎只局限于索尼一家。电池行业的多数人也相信，这家公司有能力、而且肯定可以解决这个重大的工艺问题。索尼称，它已经采取措施防止问题再次出现。 坏消息是，看来我们暂时要继续受困于这种技术现状了。Frost & Sullivan公司的分析家萨拉•布拉德福(Sara Bradford)最近在一份报告中声称，锂离子电池已经接近其能量密度的理论极限。而新型替代产品近期投放市场的可能性却微乎其微，短期内还只能期待小小的进步。“未来两三年内，真的不会发生多大改变。”英特尔公司(Intel，下称英特尔)高级副总裁兼移动事业部总经理浦大卫(David Perlmutter)说，“现在业界的精力主要集中在，如何改进传统锂离子电池的制造工艺和提高电池的可靠性。” 但有许多创业公司和学术研究机构正在进行着坚持不懈的努力，为便携式电力供应项目出谋划策、添砖加瓦。(索尼拒绝讨论其已经开展的对下一代电池的研发工作。)电池替代技术的测试和开发正在加速之中，许多团体也在积极地寻求资助、寻找合作伙伴和挖掘相关客户。 延长电池的寿命 浦大卫说，由于没有新技术来改变这场游戏，英特尔的工程师和研究人员不得不“一毫瓦一毫瓦”地寻找系统中能够减少电力需求的组件。浦大卫估计，他们从系统中节省下来的部分，可以使电池续航时间延长25～30分钟。 替代锂离子电池的另一个办法就是降低其化学物的挥发性，但这样做会造成电池使用时间的缩短。笔记本制造商早就深刻地认识到，消费者宁可选择更长的电池使用时间，而并不是十分在意相对来说鲜有发生的电池燃烧事故。 “没有哪家(笔记本供应商)愿意充当领头羊，给客户配备比竞争对手的产品使用时间短的电池，”威能科技公司(Valence Technology，下称威能科技)负责全球销售和市场运作的迪安•博格斯(Dean Bogues)说，“问题是新技术就一定足够安全吗？如果这是一个容易解决的问题，那为什么过去10年来都没有人去注意它呢？”威能科技是一家电池替代技术的供应商。 化学物很重要 威能科技制造并销售一种锂离子电池所使用的基于磷酸盐的非挥发性负极产品，品牌名称叫Saphion。威能科技声称它能大大地降低着火的可能。但是它有一个非常大的缺点：威能科技的产品要求必须在3.2伏电压下工作，现有的3.6伏电池的电子设备必须得重新进行设计或翻新才可以配合使用。 更糟糕的是，虽然威能电池潜在的有效寿命是传统锂离子电池的3倍，但是使用时间则比后者减少了40%。传统以氧化钴为基础的锂离子电池可能有4小时的使用时间，而与之相当的威能电池却只有2.5小时的使用时间。 现在，威能科技基于Saphion技术供应了一个电池附件，可以插入笔记本电脑，把使用时间延长至10小时，为那些愿意携带额外电子设备的长途旅行者提供电力。这个被称为N-Charge的电力系统重约3磅，目前在电源插座数量较少的教室、拥有无线移动看护站的医院中都有使用。 博格斯说，威能科技正在从事下一代Saphion II技术的研发，使其能够在3.6伏电压环境下工作，能够替代笔记本的插入式电池，而使用时间仅比传统锂离子电池少10%～15%。新产品预计2007年将引入市场。“如果我们能够提供一个仅比传统技术少10%但却绝对安全的替代产品，市场将会发生很大改变。”博格斯表示。 另一个已经商用的以磷酸盐为基础的锂离子技术是A123Systems公司的纳米级解决方案。DeWalt/Black & Decker电动工具公司则提供了一整套的36伏电动工具，有效地利用了A123Systems的电池技术。 越小越好 A123Systems的首席执行官(CEO)兼总裁大卫•维欧(David Vieau)正急于开拓纳米磷酸盐技术市场。维欧表示，公司正积极地同投资方手机制造商摩托罗拉公司(Motorola，下称摩托罗拉)和高通公司(Qualcomm，下称高通)进行谈判。A123Systems也参与了同氢燃料汽车相关的项目。但是，如果要步入笔记本电脑的应用，它们还要等上数年时间。 除了磷酸盐本身带来的不少好处之外，A123Systems的纳米技术还减少了电池中单一粒子的体积，将其从传统锂离子技术的平均一微米多，缩小到100纳米，即大约原有体积的百分之一。 更小的粒子能比普通电池以更快速度吸收锂，电池充电的速度因此更快。比如，如果一只装有普通锂离子电池的手机充电时间需要2～3小时，那么采用这种新型电池只要短短的5～10分钟之内便能充满，维欧补充说道。普通手机电池可以充电300～400次，而A123Systems的技术把这一数字提高到了7,000次。 电池制造商正在尝试各种不同的化学配方，以期找到一种可以替代甚至超过锂离子的技术。Zinc Matrix Power公司的CEO和总裁罗斯•杜伯(Ross Dueber)相信，他所在公司的替代化学物电池明年就可以进行商业部署了。英特尔是这家公司的投资方，并在2006年9月的英特尔开发者论坛(Intel Developer Forum)上提名该公司为“加速技术革新奖”的获胜者。 杜伯表示，公司的办法是使用银和锌，提供2倍于锂离子的使用时间，而且其以水为基础的化学物质既不可燃，也没有毒性。该公司最初专注于军事应用，2年前获得英特尔的投资以后，便转变了研究方向，专注于开发一款使用时间可长达10小时的笔记本电池。 “锂离子电池15年前就已经开始起步，当时它的寿命只有镍氢电池的一半。但使用时间则比后者要长30%，这样的价格消费者还是能够接受的。”杜伯补充说道。 Zinc Matrix Power计划同笔记本与手机制造商共同合作，准备明年将新的设计投入生产。杜伯透露说，这项技术在前期很可能被列为“Road Warrior笔记本”等更高端设备的选项。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/30/2007)