2009 年,蘋果重新設計了 MacBook Pro,發佈了一款新型電池,電量續航能力比前一型號電池高出 40%。該電池供電時長達 7 小時,足夠把史詩電影《阿拉伯的勞倫斯》從頭至尾看兩遍。蘋果行銷總監 Phil Schiller 稱之為“革命性” 電池,果真如此嗎?

近二十多年來,科技飛速發展。電腦從電子管元件時代演變成今天的超大型積體電路,往日笨拙巨大的電腦如今小到能裝進我們的口袋中。一款新型智能手錶的運算能力甚至強於阿波羅登月飛行器。但如今電池的發展則是另一種態勢。

蘋果或三星的消費電子產品製造商們為了開發出續航更強的電池,投入了數百萬美元研發資金。雖然電池技術在未來幾年不會取得革命性發展,但那些依賴電池的新產品卻會層出不窮。電池發展為什麼會滯後?很多研究人員表示他們已經遇到瓶頸,而使用電池供能設備的使用者則對電池的續航能力要求越來越高。

  • 革新之路

Envia Systems 公司位於美國加州,專注研發高能電池。從 1995 年起歷經十多年發展,在 2007 年才實現電池儲能翻一倍。此後,電池儲能增幅再沒能超過 30%。Envia 公司表示,2021 年前多數電池電量不會翻倍。

但如今一台普通的平板電腦能持續運行 10 小時,而在美國總統奧巴馬第一任期期間的電池續航僅能為 4 小時,怎麼回事?

通常,科技發展的動力來自兩個方面:追求設備的小巧便攜性和完善與之配套的軟體。

電腦的核心是微處理器。比如 Facebook更新並提示朋友圈資訊,這個過程中晶片會進行複雜的運算。幾十年來,處理器的體積越來越小,耗能也越少,電池壽命就更長。

電池則不同,它是金屬和化學材料的組合體。雖然採用化學材料使電池體積小了,但並不意味著更好。就好比喝一杯酒:你倒進去的酒少了,能喝到的自然也少了。如今,電池的發展主要依賴新材料,從鎳電池發展成如今的鋰電池,電池續航力得到顯著提升。

當代電池發展領域的大科學家 John Goodenough 表示:“目前的研究著重於提升鋰電池性能,但電池發展已然遇到瓶頸。”

Goodenough 在 1979 年宣佈電池發展取得重大突破,雖然如今研究電池的人員比當時更多,可是科學家們仍沒有頭緒。需要更先進的技術才能設計出能續航一周的手機電池,

  • 鋰電池發展

電池的發展可追溯至 18 世紀。當時科學家們偶然發現,通過向兩個覆蓋金屬片塗層的容器中添入鹽水,插入金屬棒就能收集靜電。手指觸碰容器外部,另一隻手觸碰金屬棒,能瞬間感受到嗞的一聲電流。

Henry Schlesinger 在《電池:便攜電源引發科技革命》一書中將擺弄這些電源設備的科學家比作“萊頓瓶 ”。英國著名詩人雪萊就是其中之一,他曾鼓勵他的姐姐、妻子瑪麗一起探索。瑪麗的小說《弗蘭肯斯坦》中還將電作為主要情景道具。

而就在《弗蘭肯斯坦》被人們廣泛傳閱前不久,義大利物理學家 Alessandro Volta(伏特)發明了第一個電池,稱為伏打電堆。該電池通過鋅板和銅板導電,電解質為鹽水,兩極被浸泡在鹽水中的布料或紙板隔開。

如今的電池原理也大體相同。拆分電池可看出,一極是由金屬材質構成,比如鋰;另一極通常為碳棒。兩極之間也與伏特 200 年前所用的布隔板類似:用膠封的塑膠塊隔開兩極,但仍可能有電子通過。

接線形成環路或通電後,電流經過環路。像燈泡亮起、音響發聲或汽車解鎖發聲的瞬間。

當今最受歡迎的、應用最廣泛的是鋰離子充電電池,已有 20 來年的發展歷史。

  • 市場

據法國知名研究機構 Avicenne Energy 估計,在 1990 年,隨著鋰離子電池的興起,世界電池需求量接近 20 萬千瓦 / 小時,相當於 444 億節 Energizer Ultimate 5 號鋰電池,連起來足夠繞地球 57 圈。2013 年,電池需求量翻了一倍。

Lux Research 公司預計稱,到 2020 年,僅設備供電的電池開銷費用將達 266 億美元,同比今年上漲近 30%。其中多數需求來自於手機和平板電腦,未來六年對電池的需求量漲幅將超過 45%。交通工具的電池開銷,比如電動車,將會增至 209 億美元。

電池市場利潤如此豐厚,許多研究人員也在加緊研發步伐,但成果甚微。

再者,幾乎所有大型研發機構都轉向研究電動車和電網領域了。 比如科技巨頭IBM,在美國加州聖約瑟市擁有一支科學家團隊研發電池技術。2009 年, IBM 斥資 50 萬美元打造“電池 500”項目:研發一款電池,能驅動電動車 500 英里之遠。能一次性從三藩市開到洛杉磯,還會有電量剩餘。

該項目中的電池並非利用了鋰離子電池中常見的碳棒和其它金屬,他們稱之為鋰—空氣電池,原理是在容器內注滿空氣,與金屬鋰相互作用產生電能。如果項目測試成功,該款新電池的重量要比普通電池輕一半。

但鋰—空氣電池有個限制條件:持續供能和重複充電要求注入沒有雜質的純淨空氣。而我們呼吸的空氣往往有污染物和水分。IBM 電池研究員 Winfried Wilcke 稱:“我們需要機器來淨化空氣,由此會增加電池的體積、重量及複雜度。”

麻省理工學院和德克薩斯大學的研究員們在考慮矽、硫和鈉材料。但其中多數的研發首要考慮為汽車設計電池。要實現該技術為消費電子產品供能尚需幾年。

在鋰離子電池的研發方面,今年七月斯坦福大學稱他們已設計出一款純鋰電池,能儲存更多能量,但仍有待完善。

某些科學家認為電池的發展前景非常慘澹,舉步維艱。研究員 Wilcke 表示:“目前的研究沒有形成一定的數量級。”但加州 Imergy Power Systems 電池公司 Bill Watkins 很樂觀:“永遠不要低估拿著一大筆錢的一群高精尖人才。”

  • 面對現實

令人欣慰的是,這些電池公司並未躊躇不前,而是一邊等待新電池技術的來臨,一邊在努力拓展電池壽命。

蘋果公司的許多進步得益於軟體。如 2013 年年底發佈的 OS X Mavericks 桌面作業系統:多屏顯示,輸出的資訊可以在多個螢幕間顯示,各個螢幕間不會干擾,可以獨立操作。

蘋果還有一款“timers”軟體, 在電腦低能耗模式下,喚醒電腦晶片,以完成指定任務,與 Mavericks 作業系統結合使用,減少了處理器 72% 的活動,讓電腦運行更高效。

今年發佈的 OS X Yosemite 加入了更多節能功能。用戶在 MacBook Air 上能擁有額外兩小時的電池續航,足以看一部 1080p 高清電影。

三星設計了“超級省電模式”功能,讓 Galaxy S5 手機的電池續航上限達 12.5 天。該模式下,手機螢幕轉為灰黑介面,並限制 app、通話、短信以及上網功能。

三星 SDI 公司目前嘗試著設計更安全、續航更強勁的電池。三星公司還在研究用固體材料取代封膠和液體隔層,減少炸裂風險,並計畫在 2015 年發佈該系列電池。

同樣地,蘋果也在努力研發高能電池。2009 年,Schiller 宣佈 MacBook 的電池取得突破性進展,原先的機身下的方形電池塊被像拼圖圖塊式的電池所取代,分佈在機身空間內。蘋果的這款電池設計也打破了老規矩,讓用戶能自行取出電池,也騰出了電池筒和保護殼的空間。

也許 Schiller 會稱之為革新,也許革新帶來的僅僅只有這些微小變化。

(轉載自合作夥伴《雷鋒網》;未經授權,不得轉載)