如果不使用锂离子电池，我们中的许多人一天都难以度过。锂离子电池是为我们的便携式电子产品提供动力的技术。随着电动汽车(ev)和电网储能的到来，这种电池技术的前景似乎相当光明。

基于标志性的加利福尼亚的Upstart Tesla Motors如此明亮表示，他们的新宣布的住宅PowerWall电池售罄直到2016年中期，并且强劲的市场需求可以满足其即将推出的电池“Gigafactory”每年35个千兆比- 每户120万家庭的日常电能需求。

当由索尼公司在1990年代早期释放，许多人认为锂离子电池是在充电电池的突破：与他们的高工作电压和它们的大的能量密度，它们处于劣势当时状态的最先进的镍金属氢化物电池（镍氢电池）。锂离子技术的采用推动了便携式电子革命：无锂离子电池，电池在最新的三星Galaxy智能手机将接近重四盎司，而不是1.5盎司，并尽可能多的体积占据的两倍。

然而，近年来锂离子电池已经聚集坏消息。他们提供现代化的便携式设备令人失望的电池寿命和电动车的限制练习场，相比于汽油动力车辆。锂离子电池也有安全问题，火灾尤其危险。

这种情况提高了合法问题：下次什么是什么？是否会解决这些问题的突破性？

更好的锂化学品

在我们试图回答这些问题之前，请简要讨论电池的内部机制。电池单元由浸泡在电解质中的两个不同电极并由绝缘层（分离器）分开。两个电极必须具有不同的电位或不同的电动势，并且所得到的电位差异定义了电池的电压。具有最大电位的电极被称为正极，作为负电极的最低电位的电极。

在放电期间，电子流过外部导线从负极到正极，而带电的原子或离子，在内部流动保持中性电荷。可充电电池，这个过程在充电期间逆转。

锂离子电池的能量密度，即每单位重量储存的能量量，在20年内以每年约5%的速度稳步增长，从90瓦时/公斤(Wh/kg)增至240瓦时/公斤，并预计这一趋势将继续下去。这是由于电极、电解质组成和结构的不断改进，以及最大充电电压的增加，从传统的4.2伏增加到最新便携式设备的4.4伏。

加快能量密度改进的步伐需要在电极材料和电解质前沿都取得突破。人们期待的最大飞跃将是引入单质硫或空气作为正极，并使用金属锂作为负极。

在实验室

锂硫电池的能量密度可能比目前的锂离子电池提高两倍，达到约400 Wh/kg。锂-空气电池可以带来十倍的改进，达到大约3000 Wh/kg，主要是因为使用空气作为舷外反应物——即空气中的氧气，而不是电池电极上的元素——将大大减轻重量。

这两个系统是由研究机构正在紧锣密鼓地研究，但商业可用性一直是难以捉摸的实验室努力发展可行的原型。在硫电极的放电，硫可以溶解在电解质中，从电子电路断开它。这减少了可从硫充电期间去除所述锂的量和损害了系统的整体可逆性。

为了使这项技术可行，必须达到关键的里程碑:改进正极结构以更好地保留活性材料或开发新的电解质，其中活性材料是不可溶解的。

锂 - 空气电池也遭受重复充电的困难;困难是电解质和空气之间反应引起的问题的结果。此外，通过两种技术，保护锂电电极是需要解决的问题。

钠的救主？

对于所有上述的电池，锂电池的基本组成部分。锂是世界上一个相当丰富的元素，但遗憾的是只在微量水平，从而防止其遍布全球的商业开采。虽然在可能被开采了几矿石收获情况发现，大部分生产锂都来自高海拔的盐湖卤水的，主要是在南美洲安第斯山脉。

尽管这种提取相对困难，但碳酸锂可以以每公斤6美元左右的价格购买，而且由于电动汽车电池组只需要大约3公斤碳酸锂，其成本目前还不是主要问题。

这里的担忧更多地是关于地缘政治：每个国家都能寻求能量独立，并用锂电池替换油，因为运输燃料只是将中东到南美洲的依赖转移到南美洲。

一种可能的解决方案是用元素钠替换锂，这是更丰富的2,000倍。

电化学说话，钠与锂相当，这使其成为电池极为良好的候选者。钠离子电池研究近年来爆发，一旦这些电池商业化，它们的性能可能与其锂离子同行相提并论。

钠离子电池可能不会对锂离子技术带来任何显着的成本或性能优势，但它可以为每个国家提供一种具有易于可用资源的所有电池的路径。

没有灵丹妙药

无论如何，所有这些新兴技术都可能遭受与当前锂离子细胞相同的安全问题。威胁来自易燃溶剂基电解质，这使得可以在两个伏特的电压下操作。

事实上，由于水分裂成氧和氢上述两伏，它不能在三个伏级锂或钠电池中使用和被昂贵的易燃碳酸酯溶剂已被替换。替代品，如无溶剂的电解质不在室温下提供离子的足够好的导电性以处理高功率应用中，例如汽车供电，并且因此不在商业电池使用。

幸运的是，目前的锂离子技术，据估计，在只有1个40万个细胞经历戏剧性的失败（火）。虽然风险不能完全抑制，工程控制和保守的设计可以保持它在检查。

总之，目前的锂离子电池性能相当好。新兴的化学物质，如锂硫或锂空气，有可能彻底改变便携式能源存储应用，但它们仍处于实验室研究阶段，无法保证成为可行的产品。

对于储存风和太阳能的静止储能应用，其他类型的电池（包括高温硫磺电池或氧化还原电池）可能比锂离子电池证明更可持续和经济高效的候选者，但可以成为另一篇文章的故事。

马蒂厄Dubarry是在夏威夷自然能源研究所夏威夷大学电化学和固态科学助理研究员。阿尔诺Devie是在该研究所的博士后研究员。这篇文章最初出现在谈话。