互动科普

滥用充电器是很危险的

锂离子电池非常复杂，根据不同的用途和不同的生产厂家，电池的组成和结构也有很大的差别。比如说，混合动力汽车用的锂离子电池和智能手机用的锂离子电池正负极材料就大不相同。最近，智能手机用的锂离子电池有些就采用了一氧化硅（SiO）和合金等新负极，容量得到改进，比之前大了很多。

另外，一部分电动汽车用的电池开始使用Li4Ti5O12作负极，它相比之前的碳系负极来说容量虽然有所下降，但是安全性更高（须状的锂结晶较难形成）。日本九州大学研究电池的冈田重人教授说：“在汽车上，锂离子电池的发热人命关天，有可能造成大的事故，所以在设计的时候，要比小型设备更加重视和优先考虑安全性。”虽然通过选择正负极的材料可以提高安全性，但很多情况下会同时产生电池容量和电压下降等缺点，所以现在都根据用途进行材料设计。

另一方面，电池的安全保护也各有不同。通常，锂离子电池都有内置电子回路，这种电子回路可以检测充放电时的电压和电池内部的温度，达到一定的危险值时可以切断电路。保护装置的设计和产品质量也因生产厂家的不同而有所差异。

由此看来，将锂离子电池拿到与原来设备不同的另一设备上反复使用是有危险的。在多数情况下，为了防止锂离子电池的混用，根据不同的设备会设计不同形状和大小的电池。

充电器最好也不要乱用。为给电池安全充电，充电器上一般都设计了检查回路，及时获得电池状态和温度的信息，防止过度充电。只是，它的功能通常只对符合各个生产厂商规格的电池起到最佳作用。

我们梦寐以求的大容量电池

在寻求体积小而容量大（能量密度高）的电池的同时，随着自然能源利用的进步，人们期待既便宜又环保的大型蓄电池出现。比如说，白天通过太阳能发电给电池充好电，晚上就利用储存的电生活，这样就需要大容量的电池。但就现在而言，为确保电池的容量达到上面的使用目的，电池的成本就成了一个巨大的障碍。

钠硫（NaS）电池的开发为这种需求提供了一种有力的选择。这种电池利用了加热到300℃的钠（负极）和硫（正极），还有钠离子可以通过的叫做β氧化铝（一种陶瓷）的固体电解质。虽然这种装置只能在某些特定设置下，例如保持在300℃使用，但它也有不含稀有金属、材料成本低等优点。作为价格便宜的大型蓄电池，它已经开始以储存夜间剩余的电量、调节风力发电和太阳能发电等发电量的急剧变化为目的而得到利用。

使用价格便宜且储量丰富的钠替代锂

为实现像锂离子电池这样的高能量密度电池的低价化，人们开始研究更好的钠硫蓄电池。锂是一种稀有金属，虽然在稀有金属中锂的资源蕴藏量还是比较丰富的，但一辆电动汽车所需要的锂离子电池相当于1万部智能手机所需要的电池量。所以，令人担忧的是，将来电动汽车一旦普及，锂的产量会供不应求。

此时，与锂相近的作为锂的替代金属的钠就引起了人们广泛的关注。钠在元素周期表中位于锂的下方，化学性质与锂十分接近。只是，如果使用钠，电池的电压会比使用锂低0.3V左右。另外，相比锂来说，钠离子的体积是其2倍，重量（原子量）是其3倍。所以，从能量密度这一点来看，钠也不如锂。

但是，钠与锂相比也有优势，那就是资源丰富、价格便宜，钠的资源蕴藏量是锂的百倍以上。因此，对于在汽车、自然能源发电上使用的大型二次电池来说，选择钠做电极还是很有吸引力的。

 二次电池的体积越大，钠离子电池的优越性就越强。如果再从经济性和安全性上考虑的话，理想的钠离子电池是做成“水系钠离子电池”，即在电解质里使用水溶液，在正负极使用铁系化合物和有机化合物。

在这之前出现的二次电池有大电流的镍氢电池、大能量密度的锂离子电池和不使用稀有金属的钠硫电池，这三种是具有代表性的二次电池。钠离子电池的开发已经在世界范围内展开。在美国，水系钠离子混合电容器的开发已在推进，它虽然能量密度低，但追求的是低成本，比尔·盖茨等投资家对此项研究的巨额援助也引发了关注。比如说在一个需要大量用电的数据中心，如何低价地调度电力已成为一个重要的课题。性价比高的大型蓄电池应该会成为云计算或智能电网的关键设备。

探索全新的电池材料

冈田教授还说道，从环保的观点来看，环保电池才是最理想的电池。它最终会被当成普通垃圾一样扔掉，不需要再循环。这是因为电动汽车一旦真正地普及开，作为产业废弃物的电池的处理就有可能成为一个社会问题。

现在，也有人研究尝试不再使用有色金属，而是用全新的材料来制造电池。比如说日本爱知工业大学的森田靖教授，他就在研发之前从未有过的将有机材料应用于电极的电池。

森田教授等人研制出了碳原子呈龟甲状排列的全新分子“TOT”。这种分子是以碳为中心构成的有机物，其特征是可以堆积4个电子。堆积电子后的状态也比较稳定，可以承受住电子反复的进出。

森田教授把这种分子用作电池的正极材料，正在开发前所未有的电池。他说：“我们是全世界最先研制这种分子的人。将具有这类性质的有机分子当成电池的电极进行研究，之前从未有过这样的先例。我期待有一天全新的电池真的会出现。”将来还有可能研制出不仅不再使用稀有金属，甚至也不再使用金属的、对环境没有破坏性的、可当作可燃垃圾扔掉的电池。

图2. 正在开发中的全新的有机二次电池

现在所处的阶段是在负极使用金属锂搭建电池，试验作为正极的TOT的性质。根据计算结果，相比普通的锂离子电池，现在相同重量的新型电池就有1.3～3倍的电容量。TOT是一种叫做“中性自由基”的具有特殊电子（不成对电子）的分子。分子内可以堆积4个电子的新型有机物。

何谓理想的电池？

冈田教授说：“作为高能量密度的电池，能产生与燃烧化石燃料时产生的热能差不多的能量应该就是终极了。因为如果真能这样就没有必要再使用化石燃料了。虽然这中间的差距还很大，但是考虑如何将差距缩短才是我们的目标。”

另外，如果移动设备无论什么时候在什么地方都能无线充电，我们在日常生活中就可能不用在意电池本身的容量了。“将来，不仅电磁波，通过光、热、压力等各种外部刺激，使用时不需注意电池的剩余电量，就能够不停地给电池充电。如果真有这样的电池，或许就不需要随身携带大容量的电池了。”冈田教授说道。

（本文发表于《科学世界》2016年第4期）