新浪科技讯北京时间8月3日，据国外媒体报道，手机等电子设备的锂电池将随时间老化，而锂电池的退化将产生巨大的环境成本。目前有没有更好的储存电能的方法？
手机等便携式电子设备的广泛应用是当今时代的特征之一。人们可以在墙上插上手机电源，然后逐渐消耗储存的电能。锂电池是手机的核心部件，它改变了传统的储存和携带电能的能力，同时也彻底改变了我们的电子设备。
锂电池的发展历程
1991年，日本索尼公司首次将锂电池商业化。当时，该公司正积极寻求解决手持相机电池寿命短的问题。目前，锂电池已经普及并应用于许多产品，如智能手机、笔记本电脑、电动牙刷和手持式真空吸尘器。2019年底，三位发明锂电池的科学家因为这项革命性的技术获得了诺贝尔化学奖。
随着越来越多的电动汽车出现在道路上，人们对更耐用、更大的电池的需求越来越大。然而，现代人类生活对锂电池的需求只会增加。电动汽车依靠锂离子电池来取代目前汽车中使用的化石燃料。随着可再生能源在全球电力供应中所占比例的增加，将需要更多的电池组来储存电能，这在没有风或太阳的情况下使用非常方便。据报道，全世界每年销售超过70亿个锂离子电池，据估计，到2027年，将有超过150亿个锂离子电池。
然而，随着手机的老化，功率越来越小。我们知道锂离子电池也有局限性。随着时间的推移，电池的充电容量将会减少，这意味着其储存的电能也会减少。同时，在极热或极冷的天气，锂电池的性能也会下降。此外，人们还担心锂离子电池的安全性和可持续性。在某些情况下，锂离子电池容易着火和爆炸。此外，锂离子电池金属材料的开采也将带来高昂的社会和环境成本。
这促使全世界的科学家试图开发新的电池来克服这些问题。他们希望使用一些新材料，包括DIA和发臭的水果，找到新的方法为未来的技术提供动力。
锂离子电池的工作原理是使带电的锂粒子(离子)通过中间的液体电解质，使电流从一端流向另一端。锂离子电池最大的优势在于——的“能量密度”，这使得锂离子电池成为市场上价格最高的电池。与其他电池技术相比，锂离子电池还可以提供更高的电压。
本质上，电池由三个关键部件组成：——阴极、阳极和介于阳极和阴极之间的电解质。电极的动作在正极和负极之间切换，这将决定电池是充电还是放电。在锂离子电池中，负极通常由金属氧化物制成，其中包括另一种金属。充电时，锂离子和电子从负极移动到正极，电能将作为电化学势能“储存”。这是通过电解液中的一系列化学反应发生的，这些化学反应是由充电电路中流动的电能驱动的。在电池的使用过程中，锂离子通过电解质以相反的方向从阳极流向阴极，而电子通过安装在电池中的电子设备的电路系统为电子设备提供动能。
新型材料替代锂离子电池是必然趋势
近年来，研究人员对正负电极材料的改进有助于提高锂离子电池的容量和能量密度，但目前最有必要的是降低锂离子电池的成本。
我们希望一些便携式电子设备的电池功能在未来几年得到改善，这将提高人们的生活质量。英国牛津大学的材料科学家莫罗帕斯说，化学技术的发展在35年前停滞不前。据悉，pasta是牛津大学法拉第研究所的项目负责人，他负责开发新一代锂离子电池技术。他的目标是提高锂离子电池的能量密度，同时提高其工作效率，使电池不会因反复充放电而降低其功能。
为了实现这一目标，意大利面致力于使用陶瓷制成的固体材料来替代锂离子电池中极其易燃的电解液。使用固体材料可以降低短路或不稳定条件下电解液燃烧的风险。2017年，在三星手机发生一系列电池故障和火灾后，250万部Galaxy Note 7s手机被立即扣押。使用固体电解质代替传统电解质对未来手机的安全性非常重要，因为大多数便携式电子产品中的聚合物凝胶电解质是易燃的。
这种固态电池还可以使用致密的金属锂代替石墨阳极，从而大大增加能量储存，这可能对未来的电动汽车产生深远的影响。
目前，每辆电动汽车的功率相当于数千节苹果手机电池。专家表示，在未来几年，电动汽车将在大多数国家逐渐取代化石燃料汽车，而向固态电池的革命性转变意味着更长的充电寿命。
我们希望电池将在未来几年广泛应用于电气设备和便携式电子设备。那么，我们应该寻找锂电池的替代品来减少它们对环境的影响吗？
世界上大部分的锂是从南美洲的大型盐沼中提取的，但是这个过程需要大量的水，这会对环境造成一些破坏和污染。安第斯山脉的“锂三角”——包括阿根廷、玻利维亚和智利的一些地区，这些地区含有世界上50%以上的锂金属自然资源，但是从盐碱地提取锂需要水，这是大量的水。据报道，在智利的阿塔卡马盐沼地区，每提取900公斤锂金属需要大约100万升水。它包括将富含金属的盐逐渐溶解在水中，过滤，然后蒸发，直到提取出纯锂盐。然而，智利环境保护署警告说，该地区锂和铜矿开采消耗的水资源远远大于自然降水。
为了解决这个问题，德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员正在研究如何在电池的正极中使用不同的金属，如钙或镁。钙是地壳中的第五大元素，不太可能像锂一样存在供应问题，但是通过使用钙来改善电池性能的研究仍处于起步阶段。镁也显示出令人鼓舞的初步结果，特别是在能量密度方面，并且具有良好的商业前景。
近年来，一些科学家正在积极寻找更易获得的材料来代替锂金属。美国马里兰大学材料创新中心主任胡用多孔木屑作为电极制造电池，在电池中金属离子反应产生电荷。木材储量丰富，成本低，重量轻，在电池应用中显示出高性能潜力。目前，经过多年开发的最新电池可以利用木材储存电能，包括在木质纤维上涂锡。由于木材曾经是一种木本植物，它可以渗透和转移养分，所以由木材制成的电极具有储存金属离子的能力，并且没有像锂离子电池那样膨胀或收缩的危险。
“刚果有一个普遍现象，几乎每个矿工都是带着孩子去挖锂矿。”
尽管胡的研究小组预测，木质电池将来可以用于便携式电子设备和大规模储能，但目前的技术无法为笔记本电脑充电，目前仍在实验室进行测试和验证。目前木质电池的充电速度比较快，一个装有木质电池的电子设备经过100次充电后只能保持初始容量的61%。
目前，电池中使用的木质材料的宽度和长度只有几厘米，但在未来，电池可以堆叠或连接在一起，以实现更大规模的应用，这将有助于电池的发展
如果处理不当，电池中的化学物质和重金属会在腐蚀过程中泄漏到自然环境中。事实上，锂不是现代电池中使用的唯一金属，大多数电池的阴极仍然使用钴和锂。但是，钴开采会产生有毒物质，对矿区附近居民的健康构成威胁，严重破坏生态环境。目前，一些非洲国家利用童工开采钴矿，特别是刚果民主共和国，该国拥有世界50%以上的钴矿资源。
“在刚果有一个普遍现象。几乎每个矿工都带着孩子去挖锂矿。”德克萨斯A&M大学的化学工程师乔迪鲁特肯豪斯说。这一现象启发她用蛋白质来开发“血液电池”的替代品。蛋白质是生物体制造和使用的复杂分子。电池的正极通常由石墨制成，而负极由含有钴和其他元素的金属氧化物制成。如果这两个活性电极可以被有机材料所替代，这意味着在将来没有必要开发大量的钴来制造电池。
目前，在每年售出的15亿部锂离子电池智能手机中，只有约5%被回收。
据报道，乔迪与同事卡伦伍利(Karen Woolley)合作开发了蛋白质电池，这是世界上第一个在酸性溶液中能自我降解的电池，这意味着它很容易分解和重复使用。
虽然蛋白质电池仍处于概念验证阶段，但它无法与锂离子电池竞争。在报废之前，蛋白质电池可以充电50次，并提供1.5伏的电源，但这是一个激动人心的设计，这证明了新电池在未来将有可持续的应用。
超级水果电池：榴莲电池充电仅需30秒
目前，一个创新团队不仅可以找到新的电池供电方法，还可以解决食物浪费的问题。澳大利亚悉尼大学的化学工程师文森特戈麦斯和拉邦沙伯南正在将世界上最臭的水果榴莲和菠萝蜜的废料转化为超级电容器，它可以在几分钟内给手机、平板电脑和笔记本电脑充电。
“我妻子受不了这种恶臭。她受不了把榴莲在冰箱里放一晚上，然后把剩下的榴莲拿出来。”戈麦斯打趣道。
超级电容器是储存能量的另一种方式。像水库一样，它们可以快速充电，然后在爆炸时释放能量。它们通常由石墨烯等昂贵的材料制成。但戈麦斯的研究小组已经将榴莲和菠萝蜜中的不可食用物质转变成碳气凝胶——多孔超轻固体结构，这种结构具有特殊的自然储能特性。
榴莲因其难闻的气味而闻名，但它可以用作新一代超级电容器的材料。榴莲电池充电只需30秒。将榴莲或菠萝蜜加热，冷冻干燥，在1500以上的高温下烘烤水果中不可食用的海绵核结构，最后将这些黑色、多孔、超轻的结构制成低成本超级电容器的电极。
超级电容器只需要30秒钟就能充电，并且被用在许多电气设备中。沙伯南说：“在不到1分钟的时间里给手机充电真是不可思议！我们的目标是利用这些可持续发展的超级电容器为汽车和家庭储存可再生能源。”
此外，使用榴莲和菠萝蜜作为超级电容器具有良好的环保性。由于这种水果的特殊气味，世界上70%以上的榴莲通常被丢弃。2018年，榴莲的味道导致印度尼西亚一架客机暂时停飞；2019年，澳大利亚堪培拉大学图书馆因剩余榴莲的出现疏散了人们。在这项研究的最初阶段，戈麦斯的妻子也非常厌恶榴莲的恶臭，榴莲被放在冰箱里一晚上后被移走并丢弃。
其他类型的植物废料也可以在将来用作电气设备的电源材料。俄罗斯莫斯科科技大学的物理化学家米哈伊尔阿斯塔霍夫(Mikhail astakhov)将猪草转化为超级电容器原材料，可用于手机充电。据报道，猪草在日常生活中几乎没有使用价值，而且它含有使人皮肤起泡的有毒液体。
人造钻石电池：体积小，超长使用寿命！
虽然克服锂离子电池的环保问题最终可以解决，但一些专家正在进行深入研究，试图突破其他材料的限制。英国布里斯托尔大学的材料科学家汤姆斯科特认为，锂离子电池在下个世纪仍将占据主流地位，但一些储存能量的特殊材料将用于极端环境。
近年来，斯科特和他的研究同事们一直致力于DIA电池的开发。通过种植含有放射性碳-14的人造DIA，他们可以生产“贝塔伏打电池”，这种电池可以产生恒定电流，并能持续数千年。锁定在人工DIA晶格中的放射性同位素会在核衰变过程中释放出超高能电子。电子可以由人工DIA产生，人工DIA可以用来产生电流。他们强调，在外部水平上，DIA电池的辐射指数保持在安全水平之内。
现在，研究小组已经制作了一个“DIA电池”的原型。他们在同位素镍-63产生的辐射场放置了人造直径，触发电子通过直径。目前，他们正在研究如何从核电站的石墨块中提取碳-14，斯科特和他的同事希望将这些核废料转化为使用寿命更长的电池。
斯科特的同事索菲奥斯本说：“长期以来，我们一直在收集核废料。”现在我们不再谈论长期存储，而是将它们用于发电。”
虽然锂离子电池等化学电池不适合高温环境，但DIA电池可以挑战某些极端环境，具有一定的优势，如用于太空环境、海底、火山顶部等。它将成为保证卫星电源和传感器正常运行的最佳电池。
为卫星或国际空间站更换电池并不是一件容易的事情，因此更持久的储能电池将是一个优势，“人造DIA”电池将在未来有广泛的应用领域。“人工DIA电池的另一大优点是体积小。目前，研究人员已经生产了一个1.8伏的DIA电池，它类似于一个AA电池，尽管它的电流要低得多。从技术上讲，人工DIA电池是可以充电的，但是它们需要在反应堆堆芯中放置几个小时才能达到额定功率。虽然放射性物质会衰变，但它们会产生稳定的电流，这意味着它们可以持续很长时间。碳的半衰期为5730年。”
虽然新电池是由“DIA”制成的，但它们的成本并不昂贵，斯科特说：“你会惊讶地发现，人造DIA非常便宜。”
他认为，在未来10-20年内，我们甚至可以看到使用寿命长的DIA电池，它可以作为烟雾报警器或电视遥控器的电源，也可以应用于助听器或起搏器等医疗设备。将来，我们可能不必在半夜更换烟雾报警器的电池。(叶青城)
