隨着電子技術的發展，越來越多的電子產品已經深入家家戶戶，大大方便了人們的日常生活和工作。這些電子產品中，小到智能手機，大到電動汽車，有相當一部分使用可充電電池。據統計，平均每個家庭所擁有的使用可充電電池的電子產品已經超過10件。近幾十年來，半導體產品的性能大約每18個月翻一倍，可是可充電電池的主要性能容量和壽命大約每10年才翻一倍。這一剪刀差已經成為電子產品進一步普及的瓶頸，成了人們亟待解決又無可奈何的嚴重問題。

可充電電池面臨的第一個大問題是它的容量：筆記本電腦充滿電以後只能維持幾小時，智能手機常常難以維持一整天，而電動汽車最多也只能行駛350英里。為了了解可充電電池的容量問題，我們要簡單介紹一下它的工作原理。一個典型的可充電電池是由陽極、陰極以及兩者之間的化學物質——電解質組成的。充電的時候，依靠外部電源的電能把電子驅動到陰極，並且以化學能的形式存儲在電解質里；當陽極和陰極之間的電位差達到電池標稱值的時候，電池就充滿了。用電的時候，電解質里存儲的化學能轉換為電能，驅動陰極的電子流經外部電路（筆記本電腦、智能手機、電動汽車等等），達到陽極。當陽極和陰極之間的電位差降到下限的時候，電能就用完了。一個可充電電池在這個充電-放電周期中所釋放的能量稱為它的容量。可充電電池的容量性能是由材料和製造工藝決定的，用功率密度每公斤瓦特小時（Wh/kg）來計量。目前普遍使用的鋰離子（Lithium-ion）電池用多孔石墨製造陽極，用鈷、鎳、錳、鐵混合的金屬氧化物製造陰極，用一種鋰鹽溶液作為電解質，其功率密度大約為150 Wh/kg。也就是說，對同一種可充電電池來說，要增加容量必須增加體積，而這是袖珍式電子產品最難以實現的地方。

可充電電池面臨的第二個大問題是它的壽命。相信大家都有這樣的經驗：一台可充電的電子產品，使用一兩年以後感覺到每次充電以後可以使用的時間越來越短，電力越來越不足（比如小型吸塵器變得有氣無力），才兩三年就壽終正寢了。這是因為每充放電一次都會在電極表面留下少量的鋰分子。隨着時間的推移，電極表面的活性面積慢慢地減少，電池的內部電阻慢慢增大。於是，在放電的時候就有一部分電壓降在電極上，可以有效輸出的電流越來越低，直到完全沒有輸出。需要指出的是，雖然可充電電池的壽命主要取決於它的材料和製造工藝，但是不正確的充放電模式也會縮短電池的壽命。電化學反應的本質決定，經常保持在20% – 80%的電壓範圍內使用會有助於保持較長時間的活力，延長壽命。特別要避免充滿電以後還繼續充電，比如許多人的筆記本電腦都是在一直不斷地充電。另外，向各位介紹一點小經驗：有時候你會發現手機充電很長時間，但是幾乎充不上去了。這時候你就乾脆不充了，等電池完全用完自動關機才充電，而且不間斷地一直充到100%，這時候電池就“復活”了。老朽已經用這種方法救活了2塊“假死”的手機電池。建議大家可以一個月左右做一次這种放電到0 再充電到 100%，但是也不要經常做。

可充電電池面臨的第三個大問題是它的安全性。前些時候，Samsung推出了新款智能手機Galaxy Note 7。它的一個吸引人的亮點是採用了一種新型電池，其容量遠遠超過其主要競爭對手iPhone 6S和7 Plus。不幸的是，這種手機上市不久就發生了一起爆炸，Samsung宣布召回和更換，可是更換的產品也不爭氣，最後被迫宣布Galaxy Note 7完全停產。那麼，為什麼有些電池會爆炸呢？前面說過，提高功率密度可以提高電池的容量。但是，提高功率密度有可能使電池溫度升高，如果超過80攝氏度，就進入所謂的“熱失控”，組件開始分解，有可能引起爆炸。鋰離子電池功率密度的理論值為280 Wh/kg，目前正在研發的高密度鋰離子電池主要是優化電池內部結構，在多孔物質中充滿活性物質，增加表面積，允許同時通過更多鋰離子，使得其功率密度大大高於150Wh/kg的水平。但是，這種電池用於散熱不良的便攜式電子設備還不夠安全。目前，雖然Samsung的新款智能手機中採用的是什麼類型的電池，爆炸的原因是什麼等等還是商業機密，不過專家估計很可能是屬於這一類問題。

可充電電池一直是許多國家的研發重點，主要是尋找新的材料和製造工藝。目前處於實驗室開發階段的新型化學電池技術包括鋰硫（lithium-sulphur）電池和鋰硅（lithium-silicon）電池。另一種很有希望的是固態電池，顧名思義是用固體物質取代電解液，其主要優勢是又可以回到使用鋰作為陽極材料，丟棄多孔碳陽極，從而減輕重量，提高功率密度，又可以避免鋰陽極與液體電解質泡在一起不安全的問題。另外，還有一種完全不同類型的使用鋅、鋰或鋁做材料的金屬空氣電池，但是價格很高，目前還只是在航天航空領域使用，估計在商業民用電子設備上使用將是20年以後的事情。

記者 湯毅堅