近年來(lái)，隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮母邼q，被稱為“推動(dòng)世界前進(jìn)的重要元素”的鋰，成為充電與續(xù)航領(lǐng)域的“主咖”。
以較高的能量密度與較徹底的充放電深度為優(yōu)勢(shì)的鋰離子電池，是目前移動(dòng)端使用的最靠譜的電池。在手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車等絕大多數(shù)需要用到充電電池的場(chǎng)景中，人們都可以看到鋰電子電池的身影。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，世界鋰電池市場(chǎng)正以每年15%的高速度增長(zhǎng)。而在鋰電池產(chǎn)量不斷沖向新高的同時(shí)，對(duì)于生產(chǎn)鋰電池電極的原材料的需求量也大幅攀升。目前，全球每年的鋰需求約達(dá)到17萬(wàn)噸碳酸鋰等量。
為了滿足現(xiàn)有的鋰電池生產(chǎn)需求，全世界范圍內(nèi)各個(gè)鋰礦場(chǎng)的產(chǎn)能都已被逼到了極限。而且，加速開(kāi)采還會(huì)讓這種有限的礦產(chǎn)資源提前消耗殆盡。因此，對(duì)于鋰離子電池而言，其可能面臨一個(gè)大多數(shù)商品都不會(huì)面臨的挑戰(zhàn)：產(chǎn)量的提升不但無(wú)法使價(jià)格下降，反而可能使其急劇升高。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們開(kāi)始另辟蹊徑，試圖尋找全新的解決方案。近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）的研究人員研發(fā)出了全球第一款可充電質(zhì)子電池，向現(xiàn)有的鋰電池技術(shù)發(fā)起了挑戰(zhàn)。
另辟蹊徑
隨著世界向可再生能源邁進(jìn)，人們對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)的需求也變得非常迫切，但目前這些技術(shù)卻都依賴于相對(duì)稀有而昂貴的金屬鋰。
“鋰離子電池非常棒，但它們依賴于最終稀缺且昂貴的資源。”皇家墨爾本理工大學(xué)首席研究員John Andrews坦言。
為此，科研人員將主攻方向放在了電池技術(shù)的原料上，試圖在廉價(jià)而豐富的材料上做文章。
2014年，該研究小組提出了“質(zhì)子流電池”這一全新概念。所謂質(zhì)子流電池，是將可以儲(chǔ)存電能的金屬氫化物與可逆的質(zhì)子交換膜（PEM）融合在一起的一種燃料電池。
據(jù)研究人員介紹，與一般的電池操作不同，質(zhì)子流電池充電的過(guò)程，不包含將水分解成氫氣和氧氣并將氫氣儲(chǔ)存起來(lái)的過(guò)程。在這個(gè)概念系統(tǒng)中，電池分解水產(chǎn)生質(zhì)子（氫離子），然后在燃料電池的一個(gè)電極上，將電子和金屬顆粒結(jié)合起來(lái)。最終，能量以固態(tài)金屬氫化物的形式被存儲(chǔ)下來(lái)。而在反向的流程中，它又可以產(chǎn)生電（和水），并讓質(zhì)子與空氣中的氧氣結(jié)合起來(lái)（生成水）。
顯然，與鋰離子相比，質(zhì)子電池要更加經(jīng)濟(jì)得多�；谫|(zhì)子流電池的概念，研究小組隨后打造出了初級(jí)概念的可充電質(zhì)子電池原型，并在最初的實(shí)驗(yàn)上取得了令人振奮的結(jié)果。
可充電 零排放
歷經(jīng)多年不懈的實(shí)驗(yàn)與探索，可充電質(zhì)子電池終于得以揭開(kāi)神秘面紗。盡管這只是個(gè)1.2V的小尺寸原型，然而其與生俱來(lái)的潛力卻不可小覷。
首先，與鋰離子電池相比，質(zhì)子電池由碳材料組成電極，而碳材料在地球上極為豐富，成本較低；同時(shí)，其通過(guò)水解分子充電，而從水中獲取質(zhì)子十分容易。
其次，與其他充電電池一樣，質(zhì)子電池插入充電端口，電極中的碳與生成的質(zhì)子結(jié)合，在電源的幫助下分解水；質(zhì)子再次釋放并通過(guò)可逆燃料返回，與空氣中的氧形成水繼而產(chǎn)生電。其整體性能十分強(qiáng)大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，5.5平方公分的質(zhì)子電池活性內(nèi)表面積便可儲(chǔ)存與一般市售鋰離子電池相當(dāng)?shù)哪芰�，而且這還只是未被優(yōu)化的原型。
再次，由于質(zhì)子電池在充電過(guò)程中，由可逆燃料電池中的水分解產(chǎn)生的質(zhì)子通過(guò)細(xì)胞膜傳導(dǎo)，并借助于施加的電壓提供的電子直接與存儲(chǔ)材料結(jié)合，而不形成氫氣，因此其在能量效率上可與鋰離子電池相媲美。
最后，質(zhì)子電池本身不會(huì)產(chǎn)生碳排放，可以儲(chǔ)存來(lái)自零排放的可再生能源電力，對(duì)環(huán)境極其友好。
在Andrews看來(lái)，最新成果“向廉價(jià)、可持續(xù)的質(zhì)子電池邁出了關(guān)鍵的一步，質(zhì)子電池有助于滿足人們未來(lái)對(duì)能源的需求，而且還不會(huì)破壞我們極為脆弱的環(huán)境”。
他認(rèn)為，未來(lái)5~10年內(nèi)質(zhì)子電池將會(huì)投入市場(chǎng)。“當(dāng)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，它將可能成為特斯拉Powerwall的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。我們希望它能在（位于南澳大利亞）特斯拉電池儲(chǔ)能系統(tǒng)甚至更大的規(guī)模上獲得應(yīng)用。”
盡管取得了階段性的突破，但研究小組還有很多工作需要跟進(jìn)。“未來(lái)的工作將集中于通過(guò)使用諸如石墨烯等原子級(jí)薄層碳基材料進(jìn)一步提高質(zhì)子電池的性能和能量密度，旨在打造能與鋰離子電池真正相媲美的質(zhì)子電池。”Andrews對(duì)質(zhì)子電池的前景充滿信心�！�