永远的五年之后?不，电池正在你的眼皮底下改进

关于这些部件的电池研究，在发表之前很难不听到某些评论:它永远不会进入市场。冷聚变技术永远需要20年，而新电池技术永远需要5年。

当一种新的电池设计预示着一场革命时，这种怀疑是可以理解的，但它可能忽略了电池有变得更好。锂离子电池已经称霸一段时间了——这是事实。但是“锂离子”是一个类别这包括了各种各样的技术，包括现在使用的电池和我们以前使用过的电池。可以做的事情很多，而且很多有为了制造更好的锂离子电池。事实上，它们所能储存的能量以每年5%的速度增长。这意味着你现在电池的容量是十年前的1.5倍。

不管你是否注意到，锂离子电池已经进化了。这是如何。

为什么锂离子会咆哮?

从定义什么是锂离子电池开始是很有帮助的。这场表演的主角显然是锂原子，它很容易放弃一个电子形成离子。每个电池都有一个阴极和一个阳极，二者之间有一个隔板和电解液。在阴极方面，锂是在金属氧化物化合物中发现的，只要每个原子都持有电子，它就会留在那里。锂离子一旦与电子分离，就会穿过隔板聚集在阳极上。被释放的电子无法穿过隔板，因此它们只能通过连接电池两个电极的电路移动。

在充电过程中，锂离子和电子聚集在阳极。在放电过程中，电子流通过电路，锂离子再次通过分离器，当锂离子重新沉淀到正极材料的结构中时再次结合。

真正的电池是由三层材料构成的:沉积在金属箔上的正极材料、分离层和沉积在另一金属箔上的负极材料。把这些电池堆在一起，你就有了一个口袋式或棱柱式电池，就像你可能在手机或雪佛兰Bolt上发现的那样。把这些层卷成线圈，你就有了一个圆柱形电池，就像电动工具或特斯拉的那种。

你不可能去掉锂元素，还称它为锂离子电池，但其他元素都是可以理解的。有许多不同的材料用于阴极，你可以改变分离器或尝试另一种化学电解质。阳极材料也有多种选择，虽然一种已经主导了很长一段时间。

早期的锂离子电池尝试使用固体金属锂作为阳极，但这产生了严重的稳定性问题。)仍然存在的问题在今天)。这个突破是使用石墨作为阳极。石墨消耗了宝贵的空间，但没有贡献额外的能量容量，但其片状结构为锂离子提供了安全的住所，同时大大提高了循环寿命和安全性。这使得索尼在1991年推出了第一批锂离子电池。

即使是第一代锂离子电池的能量密度也比金属氢化物镍电池高，在更小的空间内储存更多的电量，重量更轻。它们也在较高的电池电压下工作，这可能是有用的。当然，也不全是阳光和独角兽。锂离子电池更贵，而且用于电解液的有机溶剂是易燃的，因此有火灾风险，必须谨慎管理。

镍氢电池继续被用于可充电的AA和AAA电池，以及不需要这么多储能的混合动力汽车。但锂离子电池在空间和重量都很重要的领域占据主导地位，比如笔记本电脑或电动汽车。

一套非常特殊的技能

电池有不止一两个重要的特性，所以它们通常用蜘蛛图来表示(就像下图)。阿贡国家实验室说:“有能源密度，功率密度，成本，周期寿命，日历寿命，还有安全。Venkat Srinivasan告诉Ars。“通常的情况是，在电池中，这是这些不同东西的妥协。”即使只是坚持使用锂离子电池，也有一些配置和设计可以以牺牲其他东西为代价来强调这些特性。例如，能量密度可以提高一点，但可能会付出更高的成本或缩短循环寿命。

这可能是人们对电池研究新闻感到沮丧或怀疑的原因之一。一项研究可能会找到一种显著改善某一特征的方法，从而得出令人兴奋的结论。但是这个设计在其他方面可能是不切实际的。虽然电池研究人员了解了哪些电池有效，哪些电池无效，但这意味着你可能读到过的许多实验室电池永远不会进入市场。

然而，这也意味着有很多旋钮可以用来定制特定的电池设计。即使是看起来很细微的事情，比如沉积在金属箔上的阳极或阴极层的确切厚度，也会影响行为。例如，阴极相对于它的箔背越厚，电池的能量密度就越大，因为被箔占据的总体积更少。但更厚的材料层也意味着锂离子和电子的旅行距离更长。这会在电池运行过程中产生更多的热量，从而缩短电池的循环寿命。另一方面，保持阴极更薄，它可以处理更高的充放电率，因为更短的旅程更容易。

在小型设备中，空间是宝贵的，更昂贵的设计，最大限度地提高能量密度是首选。电动汽车就不一样了，因为电池的成本占整体价格的很大一部分，再加上20%的溢价，就很容易让汽车超出你的预算。自行车的寿命也要长得多。如今，人们普遍认为，手机在使用两年之后，电池寿命就会缩短。显著降低电池寿命车两年之后就会成为交易破坏者。

由于电动汽车目前处于可承受的边缘，(至少对一些人来说)可接受的续航里程和充电时间，电池的小改进在这里更加明显。