伊利諾伊州阿貢 — 在芝加哥西南20英里處，政府研究人員正在追求汽車界的“真命天子”。
它動力強勁、續航持久、價格合理，而且永遠不會爆炸。
這可以用來描述完美的汽車電池，它必須平衡多種因素，才能吸引美國大眾購買電動汽車。
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但目前，“真命天子”只是一本筆記本上的一組方程式。
“理論上，它在紙上是可行的，”阿貢國家實驗室交通研究中心主任唐·希勒布蘭德說。
在阿貢國家實驗室和其他地方，研究人員才剛剛開始破解一項有前景的技術背後的基本科學原理：鋰空氣電池。如果他們的理論正確，這些電池的能量將是鋰離子電池的5到10倍，而鋰離子電池是第一波電動汽車的主要動力來源。
“鋰空氣電池是我們未來的發展方向，”希勒布蘭德說。“你無法預測未來，但就目前而言，我認為我們看到了終點，即……*理想*的電池。每個人都在尋找的電池。”
但是，隨著工程師們越來越接近完善鋰離子電池，鋰空氣電池還有很長的路要走，才能取代過去的電池。
一個好主意仍在路上
“鎳氫電池就像一個成年人。鋰離子電池像一個正在發育的青少年。而對於鋰空氣電池，我們還只是在看超聲波，”希勒布蘭德說。
有人說鋰空氣電池的能量只會是鋰離子電池的三倍；其他人則預測會增加一百倍。無論估計如何，所有人都同意鋰離子電池需要改進。
原因與“電池化學”有關，這是一個描述裝置執行原理的術語。
電池有陽極和陰極，這兩種材料會交換離子——在這種情況下是鋰離子。當離子向一個方向移動時，電池會充電；當它們向另一個方向移動時，電池會釋放電荷。
當然，陽極和陰極的不同材料會影響這種來回移動。例如，它們可以加速移動、移動更多數量的離子，或減少電池可以重複交換的次數——也就是說，縮短電池的壽命。
鋰離子化學被認為是過去為電動汽車供電的努力的改進。之前的選擇體積太大、重量太重，以至於幾乎不經濟。鋰離子電池在更小的空間和重量中封裝了更多的能量，主要汽車製造商將其用於最新的電動汽車和混合動力汽車系列，包括豐田的普銳斯、通用汽車的Volt和日產的Leaf。
不過，這種變化是有代價的。如今，鋰離子電池已在筆記型電腦和手機中普及並商業化。但是，汽車所需的大型電池仍然是其最昂貴的元件，也是被認為對幫助數百萬人上路最重要的元件。
在未來幾年裡，許多人預計這些成本會下降。即便如此，電池領域的許多人預見到，對於當今至關重要的鋰離子電池，總有一天會面臨淘汰。
一種可以挑戰石油的電池
“假設我們想讓世界上所有的汽車都電氣化，”阿貢實驗室能源儲存主要倡議負責人、該實驗室的主要電池化學家之一傑弗裡·張伯倫說。 “鋰離子電池能幫助我們達到目標的一部分。但實際上，它們的能量密度不夠高，成本也不夠低。”
他稱鋰空氣電池為“夢想型電池”：他說，看看元素週期表，就重量而言，唯一比鋰攜帶更多能量的元素是氫。如果模型正確，鋰空氣電池的能量將遠遠優於鋰離子電池，接近電池所能達到的極限。它甚至可以與石油的能量密度相媲美——石油是地球上能量最豐富的物質之一。
這將徹底改變電動汽車的經濟性。目前，汽車製造商面臨“里程焦慮”：他們擔心美國人會猶豫是否購買只能行駛幾十英里的電動汽車。
張伯倫說，鋰空氣電池可以消除這種擔憂。“你可以想象，充電後不是行駛40英里，而是行駛200或400英里，”他說。
鋰空氣電池的關鍵在於減輕重量。麻省理工學院化學副教授楊紹 horn 說，鋰離子電池將鋰與金屬和氧氣混合在一起，以保持其穩定性，並與鋰離子進行乒乓球式運動。
用“呼吸”的電池代替重金屬
相比之下，鋰空氣電池跳過了金屬，只將鋰附著在氧氣上。在電池的另一側，有一種多孔材料可以“呼吸”氧氣，並可以進行乒乓球運動的另一側。紹 horn 說，如果沒有額外的金屬，電池會輕得多，但不會影響保持能量的能力。
但在該技術商業化之前，研究人員必須透過一系列科學挑戰。一種材料可能非常出色地將氧氣“呼吸”到電池中，但如果它是鉑金或黃金，則幾乎沒有商業潛力。陽極中的鋰即使遇到少量水也會發生爆炸性反應，因此必須用穩定且廉價的物質進行保護。
阿貢實驗室猜測，鋰空氣電池可能距離商業化還有10到20年的時間；麻省理工學院的紹 horn 表示，10年可能過於樂觀。
部分原因是科學研究需要很長時間才能滲透到汽車展廳。通用汽車全球電池系統總監羅恩·傑米森解釋了每個新的電池理念都必須經過一個並不迅速的審查過程。
他說，在任何特定時刻，通用汽車都知道大學、實驗室和其他公司提出的 100 多個電池化學理念。
他說，通用汽車不會輕易駁回其中任何一項，但第一步是檢查科學教科書：“這在物理上是否可行？它是否違反物理定律、熱力學定律或任何其他定律？”
如果它通過了該測試，通用汽車就會像阿貢實驗室和其他所有人一樣：他們找到一個，然後對其進行測試。
一些研究人員將電池單元放入烤箱中一年，逐漸將溫度提高到華氏 113 度，然後提高到華氏 131 度。其他人則將其浸入游泳池中。還有一些人使電池短路，看看它是否會爆炸。一位能源部的研究人員用射釘槍射擊電池。
這些對於電動汽車來說不太可能發生，但電池開發商希望確保安全。他們說，僅僅一次引人注目的事故就可能給這項技術帶來厄運。因此，傑米森說，通用汽車會對每項新的電池技術進行一年或更長時間的測試。
在美國的實驗室裡，美國可能處於領先地位
“理論上，如果它有可能發生，你至少必須評估並瞭解將會發生什麼，”他說。
如果鋰空氣電池是未來的“靈丹妙藥”，那麼有許多“鉛彈”準備好更快到來。通用汽車表示，它正在研究鋰空氣電池、下一代鋰離子電池和其他化學物質。日產和豐田的代表沒有特別提到鋰空氣電池，但他們表示，他們的先進電池實驗室——與日本公司 NEC 和松下合作——正在研究各種化學物質。
白宮正試圖推動這一程序，上週能源部撥款就表明了這一點。高階研究計劃署-能源計劃上週為汽車電池的突破性研究撥款 3400 萬美元。其中兩筆撥款用於鋰空氣電池提案，但其他想法各不相同，從鎂離子到鋅空氣電池，再到斯坦福大學和本田的“全電子”電池。
如果他們和其他研究人員在該技術上取得進展，美國可能會準備好在全球取得領先地位。希勒布蘭德在一封電子郵件中表示，鋰空氣電池還處於起步階段，任何國家都尚未壟斷這項技術，但“美國和日本都認識到了其潛力，而美國可能處於領先地位。”
在一次採訪中，他說東京正在資助專注於鋰空氣電池和其他化學物質的實驗室。他沒有聽說這項技術在中國或韓國發展：“不過，如果它沒有發展，我會感到驚訝。”
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