未来超级电池

一般来说，我们所说的电池是指化学电池，它是一种可以直接将化学能转化为电能的设备。它通过化学变化消耗电池中的化合物并导出电能。化学能直接转化为电能，依靠电池内自发氧化、恢复等化学反应，分别在两个电极中进行。

负极活性成分由电位较负、电解质稳定的氧化剂组成，如锌、镉、铅等活性金属，以及氢或氮氧化物。正极活性成分由二氧化锰、二氧化铅、氧化镍、氧或气体等氧化剂组成。电解质是一种离子导电性强的材料，如酸、碱、盐溶液、熔融盐或固体电解质。当外部电路断开时，虽然两极之间有电位差（电压），但没有电流，储存在电池中的化学能不会转化为电能。当外部电路关闭时，电流会在两个电极电位差的影响下流过外部电路，因此我们可以从中获得电能。

电池类型

根据是否可回收分类，电池分为一次电池和二次电池。一次性电池是指放电后不能再充电再储存电量的电池，也称为原电池，如普通干电池、纽扣电池等，电量耗尽后只能废弃，不能回收利用。二次电池是指放电后能激活活性成分并正常使用的电池，又称可充电电池，可反复充电。常见的电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等，如我们的手机、笔记本电脑、电动自行车、电动汽车中使用的电池都是可充电的二次电池。

电池内部的电化学特性决定了这种类型的电池是否可以充电。根据其电化学成分电极的结构，真正可充电电池内部结构之间的化学变化是可逆的。由于充放电会对电极体积和结构造成可逆的变化，因此可充电电池的内部设计必须支持这一变化，因此设计和生产相对复杂，成本相对较高。一次电池只放电一次，内部结构简单得多，不需要支持这种变化，所以价格会便宜得多。

除了电池成本，不同领域对电池的需求也不同，如便携式设备不允许电池占用太大的体积和重量，这需要电池具有高能量密度，电动汽车电池不仅需要高能量存储密度，而且功率密度强，以满足电动汽车动力的需要。更小、更轻、更多的能量储存是许多电池技术科学家的方向，他们的研究领域涉及纳米技术、核技术，甚至是直接从气体中获取原材料的技术。随着人们对笔记本电脑、智能手机和电力驱动的交通性能的要求越来越高，人们对电池性能的要求也越来越高，电池技术也在迅速发展。以下CHIP介绍了电池未来的发展趋势。

锂离子交换电池

如今，除了电池能量储存密度不够高外，电池充电性能差也是电池技术发展的主要瓶颈。例如，我们希望电池的充电效率能在几分钟内完成，就像汽车加油一样。新型锂离子交换电池，利用锂离子可以在石墨烯表面和电极之间快速、大量运行，帮助我们实现快速充电的目标。

锂离子交换电池采用石墨烯作为正负极材料，具有很大的极性表面。在充电过程中，锂离子可以快速从负极转移到阳极，实现快速充电。就像汽车加油一样，它可以在很短的时间内完成，不再需要几个小时的等待时间。同时，它还具有很高的功率密度，可以进行大电流放电，这对于移动终端或使用电力驱动的交通设备来说无疑是一个令人兴奋的消息。然而，这种电池的能量密度目前还没有突破，约为160Wh/kg，与主流商用锂电池相比，换句话说，使用这种电池设备只是充电效率快，单次充电后的续航能力与今天的锂电池相比并没有增加。此外，这种电池的快速充电需要一个特殊的大功率充电站，而且这种充电站的总数非常稀缺，这已经成为限制其普及的另一个因素。

氢氧燃料电池

燃料电池是一种直接将存在于电池中的燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。一般以氢、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，以空气中的氧气为负极。因此，电池的功率取决于储存的活性物质的数量，燃料电池的活性成分（燃料和氧化剂）在反应的同时不断输入。因此，这种电池实际上只是一种能量转换装置。

氢氧燃料是以氢为活性成分的燃料电池，因为电池放电的产物只有水，几乎无污染，符合绿色化学理念，理论能量密度可达3600Wh/kg，根据电动汽车的常规用电量，10公斤氢氧燃料电池可满足电动汽车100公里的电池寿命需求，具有很大的发展前景。目前，氢氧燃料电池由于氢燃料难以储存和运输，需要使用昂贵的铂作为催化剂等因素，仅限于飞船、潜艇、军事等特殊情况，在技术和支出方面远离民用。

锂空气电池

锂空气电池是一种以金属锂为阳极，以空气中的氧气为负极生成物的电池。其工作原理是阳极锂释放电子后成为锂离子，然后锂离子通过电解质材料，将负极与氧气和外部电路中的电子结合产生氧化锂或过氧化锂，并留在负极。