普蘭特和他發明的鉛酸電池。圖片來源：bb-batteryasia.com
鉛酸電池做不到面面俱到？沒關系，后面還有一堆科學家躍躍欲試呢。此后，研究者們又不斷探索，發明出采用其他化學反應的充電電池，如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。它們能量密度更大，體積更小，可以用于為各類小型電子設備提供電能。
青出于藍的鋰離子電池
之前說到，電池工作時，電子通過外電路從負極流向正極。與此同時，相同電荷量的正離子則在電池內部從負極向正極流動。早期的電池都使用諸如稀硫酸這樣的以水為溶劑的電解液。在這種情況下，電池內肩負維持電荷平衡任務的是氫離子。然而，使用水系電解液的電池，最多能達到的工作電壓也不過2伏左右。如果我們想要獲得更高的電壓，輸出更大功率，就要使用不含水的電解液，找到替代氫離子的正離子。
查看元素周期表，最佳的候選者落在了鋰離子身上：作為3號元素，鋰的原子量只有6.9；它既輕又小，比其他大的離子更容易在電解液中移動，可謂不二之選。確定了鋰離子，接下來的任務，就是找到可以與之發生可逆反應的電極材料了。到20世紀70年代，美國化學家斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在?？松‥xxon）工作時率先發明了鋰離子電池。經過多年優化，商業化的可充電鋰離子電池在20世紀90年代初在日本推出。
斯坦利·惠廷厄姆目前仍是下一代鋰電池設計的重要研發者。圖片來源：binghamton.edu
鋰離子電池的負極使用石墨，正極使用鈷酸鋰，電解液則使用含有鋰鹽（如六氟磷酸鋰）的有機溶劑。放電時，嵌入在石墨負極中的鋰被氧化進入電解液，跑到正極嵌入到氧化鈷的晶格間隙中形成鈷酸鋰；充電時，鋰則從鈷酸鋰中脫嵌，溜回石墨中，如此循環往復。這樣的電池，工作電壓可達到3.7伏以上，能量密度大大提高。
但所謂金無足赤，盡管鋰離子電池大獲成功，也免不了還有缺點——比如價格較高，容量流失，以及最嚴重的安全性不高的問題。鋰離子電池電解液使用的有機溶劑十分易燃，雖然我們可以通過加入添加劑和改進電池設計來提高電池的穩定性，卻終究不是長久之計。
厚望加身的鋁離子電池
原理上，我們只要用另一種X離子來替代鋰離子，并找到與之匹配的電極和電解液，就可以得到“X離子電池”。在眾多“X”的候選者中，鋁算是優勢比較明顯的：它的價格比鋰更低，化學性質也更穩定，而且在反應時，每個鋁原子可以釋放3個電子，似乎是個不錯的選擇。
然而，研發鋁離子電池的道路并不順利。最大的困難在于找到合適的正極材料和電解液。在以往的研究中，正極材料往往會在充放電過程中發生不可逆的結構破壞，能有效參與反應的部分因而越來越少。最終，電池容量迅速下降，使用壽命只有幾十個循環——這顯然不能滿足人們的需求。
在研究者們鍥而不舍的努力之下，上月，鋁離子電池終于迎來了大突破。斯坦福大學化學系的戴宏杰教授在《自然》發文宣布，他的研究小組成功制造出了超長壽命的鋁離子電池。
戴宏杰（右）和文章的共同第一作者之一龔明（左）圖片來源： Mark Shwartz/Stanford Precourt Institute for Energy
這種電池選用鋁金屬作為負極，正極則是一種三維結構的泡沫石墨。秘制電解液由有機鹽 [EMIm]Cl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride） 和 AlCl3 按一定比例混合制成的離子液體。負責在電解液中轉移電荷的離子是 AlCl4-。電池放電時，鋁負極被氧化生成 Al2Cl7-，同時釋放電子；本來嵌入在泡沫石墨正極孔隙中的 AlCl4-則脫嵌進入電解液。充電時，電解液中的 AlCl4- 則重新嵌入到泡沫石墨孔隙當中。因為 AlCl4-離子的體積較大，因此找到一種可以允許它快速嵌入/脫嵌的的正極材料頗為關鍵。研究人員巧妙地制備了泡沫石墨——它內部充滿空隙，表面積很大，讓AlCl4-離子可以快速自由地進出。
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