我们中的许多人很难想象一天不使用锂离子电池的生活，这项技术为我们的便携式电子设备供电。随着电动汽车（EV）和 电网储能 即将普及，锂离子电池的前景似乎相当光明。
光明到标志性的加州初创企业特斯拉汽车公司表示，其新近发布的家用 Powerwall 电池 已售罄，供货要等到2016年年中；强劲的市场需求 可能达到 其即将建成的电池“超级工厂”的产能：每年35吉瓦时，相当于120万美国住户一天所需的电能。
20世纪90年代初索尼推出锂离子电池时，许多人认为这是可充电电池领域的一项突破：凭借较高的工作电压和较大的能量密度，它们胜过了当时最先进的镍氢电池（NiMH）。锂离子技术的普及推动了便携式电子设备革命：如果没有锂离子电池，最新款三星 Galaxy 智能手机中的电池重量将接近4盎司，而非1.5盎司，体积也会增加一倍。
然而，近年来锂离子电池的口碑不佳。与汽油动力汽车相比，它们在现代便携设备中的续航表现令人失望，电动汽车的行驶里程也有限。锂离子电池还存在 安全 方面的隐患，尤其是 起火风险。
这种情况引出了合理的问题：接下来会出现什么？是否会有突破来解决这些问题？
更优的锂电化学体系
在尝试回答这些问题之前，我们先简要了解电池的内部工作机制。电池单体由两个不同的电极组成，中间以一层绝缘材料隔开，这层材料通常称为隔膜，并浸润在电解液中。两个电极必须具有不同的 电势，或不同的 电动势；由此产生的电势差决定了电池单体的电压。电势最高的电极称为正极，电势最低的电极称为负极。
下一代电池有望提高能量密度，从而延长电子设备的运行时间并增加电动汽车的行驶里程。
作者及维基百科，作者提供
放电时，电子通过外部导线从负极流向正极；带电原子，即离子，则在内部流动，以维持电荷中性。对于可充电电池，充电时这一过程会反向进行。
锂离子电池的能量密度，即单位重量所储存的能量，稳步增长，平均每年约提高5%； 20年间，从90瓦时/千克（Wh/kg）升至240 Wh/kg，预计这一趋势还将持续。这得益于电极和电解液成分及结构的逐步改进，以及最高充电电压的提升：从传统的4.2伏提高到最新便携设备中的4.4伏。
若要加快能量密度的提升速度，电极材料和电解液两方面都需要突破。最令人期待的飞跃是将元素硫或空气用作正极，并以金属锂作为负极。
实验室里的探索
锂硫电池的能量密度有望达到当前锂离子电池的两倍，约为400 Wh/kg。锂空气电池则有望提升十倍，达到约3,000 Wh/kg，主要是因为使用外部反应物空气——也就是说，利用空气中的氧，而非电池电极上的某种元素——可以大幅减轻重量。
锂空气电池利用空气中的氧驱动电化学反应——前提是它能在实验室之外正常工作。
Na9234/维基共享资源， 知识共享署名许可
这两种体系都受到研究界的深入研究，但商业化始终未能实现，因为实验室仍在努力开发可行的原型。在硫电极放电过程中，硫可能溶解在电解液中，使其与电子回路断开。这会减少充电时可从硫中移出的锂量，并损害整个体系的可逆性。
要使这项技术可行，必须达到几个关键目标：改进正极结构，以更好地留住活性材料；或开发新的电解液，使活性材料不会溶解。
锂空气电池也面临难以反复充电的问题，原因是电解液与空气之间的反应。此外，这两种技术都需要解决锂电极的保护问题 。。
钠能否成为救星？
对于上述所有电池而言，锂都是不可或缺的组成部分。锂是全球较为丰富的元素，但遗憾的是， 其含量仅为痕量，因此无法在全球范围内进行商业开采。虽然少数矿石中含有可开采的锂，但锂的大部分产量来自高海拔盐湖卤水，其中大多位于南美洲的安第斯山脉。
尽管开采相对困难，碳酸锂的价格仍约为每千克6美元；而一辆电动汽车的电池组只需约3千克碳酸锂，因此迄今为止，其成本并非主要顾虑。
这里更值得关注的是地缘政治：每个国家都在寻求能源独立，以锂电池取代石油作为交通能源，只不过会把依赖关系从中东转移到南美洲。
一种可能的解决方案是以钠替代锂；钠的丰度是锂的 2,000倍。
从电化学角度而言，钠与锂几乎相当，因此是极佳的电池候选材料。钠离子电池研究 近年来迅速发展；商业化后，其性能有望与锂离子电池不相上下。
钠离子电池或许无法在成本或性能方面显著优于锂离子技术，但它可以让各国利用易于获得的资源，自行制造电池。
并非万能良方
无论如何，所有这些新兴技术很可能都面临与当前锂离子电池相同的安全隐患。威胁来自易燃的溶剂型电解液，正是它使电池能够在高于两伏的电压下工作。
事实上，由于水在高于两伏时会分解为氧和氢，因此无法用于三伏级锂电池或钠电池，已被昂贵且易燃的碳酸酯溶剂取代。无溶剂电解液等替代方案在室温下无法为离子提供足够的电导率，难以满足驱动汽车等高功率应用的需求，因此未用于商业电池单体。
值得庆幸的是，据估计，在当前锂离子技术中，每4,000万个电池单体中只有一个会发生剧烈起火失效。尽管无法彻底消除风险，但工程控制和保守设计能够将其控制在一定范围内。
总而言之，当前的锂离子电池性能相当不错。锂硫或锂空气等新兴化学体系有望革新便携式储能应用，但目前仍处于实验室研究阶段，能否成为可行产品尚无保证。
对于储存风能和太阳能等固定式储能应用，其他类型的电池，包括高温 钠硫电池 或 氧化还原液流电池，可能比锂离子电池更可持续、更具成本效益；不过，这或许是另一篇文章的话题。
本文与 The Conversation合作发布。本文的发布并不代表世界经济论坛认可其中观点。
如需了解议程最新动态， 请订阅我们的每周简报。
作者：Matthieu Dubarry 是夏威夷大学夏威夷自然能源研究所的电化学与固态科学助理研究员。Arnaud Devie 是夏威夷大学夏威夷自然能源研究所的博士后研究员。
图片：2009年12月8日，伦敦一家回收中心的电池放置在收集箱中。路透社/ Kevin Coombs。