神奇电池在哪里

考虑到电池在现代生活中的重要性，与微电子技术的进步相比，改进的进展缓慢。让我们不要指责悠闲的科学家和工程师，但要意识到遇到的复杂性。只要电池依赖于电化学过程，限制将继续。这些是低能量存储，慢充电，短使用寿命和每瓦高成本。

每个电池系统都有明显的优势，但没有一个能提供完全令人满意的充电过程。多年来，镍基电池提供了相当好的服务，但这种化学反应被锂离子取代，提供更高的比能（容量），更低的自放电和无需维护。含有许多疣和瑕疵的铅酸仍然保持稳固的地位，并将继续作为起动器和深循环电池保持领先地位。没有其他系统可以满足大容量电源的价格和稳健性。

电池研究从未有过如此多的活动，电动汽车（EV）也是这种疯狂的催化剂。期望很高，媒体很快宣布推出一种新电池，该电池具有长时间运行，良好的耐用性和环保性。实际上，一些系统显示出良好的潜力，但大多数系统距离变得商业上可行。许多人消失得无影无踪。

新电池概念的典型缺点是负载能力弱且循环寿命短。即使是柠檬也可以制成电池。只需将铜币和镀锌钉子戳入内脏即可。功率很低，500个柠檬可以点亮手电筒灯泡。还尝试使用海水作为电解质。大海将产生无穷无尽的电力供应，但回收的能量只能照亮手电筒。板的腐蚀限制了有用的使用寿命并使海水电池不可行。

随着对电池开发的兴趣达到历史最高水平，我们只能回顾旧的和崭露头角的系统。下面列出的化学物质大致按照开发顺序放置。许多旧电池正在进行修订，以延长使用寿命，延长运行时间并提高定价。

镍铁

在1899年发明镍镉之后，瑞典的WaldemarJungner试图用铁而不是镉来节省资金，但是充电效率和充气效果不佳促使他在没有获得专利的情况下放弃了这个项目。1901年，托马斯爱迪生继续开发作为电动汽车铅酸的替代品，声称具有卓越的性能。当汽油动力汽车接手时，他输了，当汽车业选择铅酸作为起动电池时，他非常失望。

镍铁电池（NiFe）使用氧化物氢氧化物阴极和铁阳极与氢氧化钾电解质来产生1.2V的标称电池电压。NiFe具有过充电和过放电的弹性，在待机应用中可持续使用20年以上。抗振动和高温使得NiFe成为欧洲采矿的首选电池，并在第二次世界大战期间为德国V-1飞行炸弹和V-2火箭提供动力。其他应用包括铁路信号，叉车和固定应用。NiFe具有约50Wh/kg的低比能，具有差的低温性能并且每月具有20％至40％的高自放电率。这些缺点以及高制造成本促使该行业忠于铅酸。

镍锌

镍锌（NiZn）电池类似于镍镉，因为它们使用碱性电解质和镍电极，但电压不同;NiZn提供1.6V/电池而不是1.2V，这是NiCd提供的。镍锌最初是在20世纪20年代开发出来的，但由于枝晶生长和电气短路引起的循环寿命短。电解质的改进减少了这个问题。低成本，高功率输出和良好的温度操作范围使这种化学成分具有吸引力，并且NiZn正在复兴用于商业用途。NiZn以恒定电流充电至1.9V/电池，但不能进行涓流充电。比能量与其他镍基系统类似。NiZn适用于200-300个完整循环，没有重质有毒物质，可以回收利用。电池也有AA电池。

镍-氢

在1967年开始研究镍-金属氢化物时，金属不稳定性问题将发展转向镍氢电池（NiH）。NiH使用钢罐在1,200psi（8,270kPa）的压力下储存氢气。电池包括固体镍电极，氢电极，气体屏和电解质，它们封装在加压容器中。

NiH的标称电池电压为1.25V，比能量为40-75Wh/kg。优点是使用寿命长，即使在完全放电循环，由于低腐蚀，最小的自放电以及-28°C至54°C（-20°F至130°F）的显着温度性能，良好的日历寿命。这些属性使NiH成为卫星使用的理想选择。科学家正在开发用于地面使用的NiH电池，并希望为能量存储系统和电动汽车提供市场。负面因素是低比能量和高成本。卫星的单个小区花费数千美元。

锌空气

锌-空气电池通过来自空气的锌和氧的氧化过程产生电力。电池可以产生1.65V，但1.4V和更低的电池可以延长使用寿命。通过启用气流来移除密封片可激活电池，并且电池在五秒钟内达到完全工作电压。一旦打开，电池就无法停止。通过添加胶带来抑制气流只会减缓变性。

锌-空气电池与质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有相似性，其通过使用空气中的氧作为正电极的燃料。空气可以在一定程度上控制反应速率。锌空气被认为是主要电池;但是，有大功率应用的充电版本。通过更换废锌电极来进行再充电，所述废锌电极可以是锌电解质浆料的形式。不同类型的锌空气电池使用锌颗粒。已经在电动车辆上试用了可充电的锌空气电池并且已停产。

在300-400Wh/kg时，锌空气具有高比能，制造成本适中，但比功率（电流处理）低。在密封状态下，自放电率为每年2％。锌空气对极端温度和高湿度敏感。污染也会影响绩效;高环境二氧化碳通过增加内阻来降低性能。典型应用是建筑工地的助听器和安全灯。

银锌

银锌电池是特种，特种航天，高端电视摄像机和其他需要长时间运行的专业设备的重要动力源。高成本，短寿命和锂离子电池的出现导致银锭失去青睐。

锌电极和隔板的快速降解是原始设计失败的主要原因。在循环期间，锌枝晶的堆积刺穿隔板并导致电短路。此外，隔膜自身位于氢氧化钾电解质中。这将保质期限制在约两年。锌电极和隔膜的改进有望延长使用寿命，比锂离子电池提高40％的比能。银锌是安全的，没有有毒金属并且可以回收利用，但是使用银会使电池制造成本高昂。

钠硫

钠电池，也称为熔盐或热电池，有主要和次要版本。电池使用熔盐作为电解质，并在400-700℃（752-1,292°F）的温度下操作。较新的设计在较低的245-350°C（473-662°F）温度下运行。

德国人在第二次世界大战期间设想并用于他们的V-2火箭，熔盐电池的电解质在寒冷时是无效的并且可以存储超过50年。一旦用热源激活，电池可在几分之一秒内提供高功率爆发或在数小时内传递能量。通过熔盐的良好离子传导性，可以实现高功率。原代钠电池几乎专门用于军队，作为特种特种的"一次性"参与;然而，兴趣在于可充电版本。

现代可充电钠硫被称为钠-氯化镍电池或ZEBRA，所谓的沸石电池研究非洲项目。该电池的标称电池电压为2.58伏特，比能量为90-120Wh/kg，与Li-manganese和Li-磷酸盐相当。使用寿命约为8年，循环次数为3,000次。它可以快速充电，无毒，原料丰富且成本低廉。ZEBRA电池的大尺寸为10kWh或更高。典型的应用是连续使用的叉车，铁路，船舶，特种和电动汽车，如出租车和送货车。钠基电池不断增长的市场是负载均衡，也称为电网存储。

ZEBRA电池必须加热到270-350°C（518-662°F）。即使采用特殊绝缘材料，加热每天消耗14％的电池能量，相当于18％的自放电。ZEBRA电池应该是充电或使用的。冷却需要3-4天;重新加热需要大约两天，具体取决于停机时的SoC。常见故障是由于腐蚀和枝晶生长导致的电短路，这增加了自放电。

实验可充电电池

实验电池存在于实验室中并通过热情的报告连接到外部世界，主要是为了吸引投资者。我们希望这些发展有一天能够成熟，而不仅仅是手机上的电池;目标是实现汽车运输的环境效益。没有可能会破坏目前电池化学成分的直接候选者，但潜力是存在的。以下是值得一提的最有希望的实验电池。

锂金属（锂金属）

大多数锂金属电池是不可充电的。温哥华的MoliEnergy率先批量生产用于手机的可充电锂金属电池，但偶尔发生的锂枝晶短路导致热失控状况，并且电池在1989年被召回。锂金属具有高比能。2010年，在实验电动汽车中测试了一种容量为300Wh/kg的锂金属聚合物（相比之下，日产Leaf的80Wh/kg），但安全性仍然是一个主要问题。

锂空气（锂空气）

锂空气电池从锌空气和燃料电池中借鉴了它们呼吸空气的想法。电池使用提供氧气的催化空气阴极，以及锂阳极和电解质。科学家预计能量储存潜力是锂离子电池的5至10倍，但据说技术可以商业化需要一到二十年的时间。根据所使用的材料，锂离子空气将产生1.7至3.2V/电池的电压。IBM，Excellatron，LioxPower，Lithion-Yardney，PolyPlus，Rayovac等正在开发该技术。锂空气的理论比能为13kWh/kg;铝空气具有相似的质量，理论比能为8kWh/kg。

锂硫（Li-S）

由于锂的原子量低，硫含量适中，锂硫电池的比能量非常高，为550Wh/kg，约为锂离子电池的三倍，比功率为2,500Wh/kg。在放电期间，锂从阳极表面溶解，并且当通过将其自身电镀回到阳极上进行充电时自身反转。Li-S具有良好的低温放电特性，可在-60°C（-76°F）下充电。挑战是有限的循环寿命仅为40至50次充电/放电和高温下的不稳定性。自2007年以来，斯坦福大学的工程师们正在试验纳米线的有希望的结果Li-S的电池电压为2.10V，对环境友好。硫作为主要成分是大量可用的。

用于锂离子的硅-碳纳米复合阳极

与碳作为常规锂离子电池中的典型阳极材料不同，研究人员开发了硅-碳纳米复合材料。这促进了锂离子的进入以实现稳定的性能和容量增益是常规锂离子的五倍。据说制造简单，成本低，电池安全;然而，由于在高容量插入和提取锂离子时的结构问题，循环寿命受到限制。