我们知道，为了拥有一个绿色的未来，整个世界需要从化石燃料发电转向可再生能源。虽然各国同意将太阳能和风能的容量增加两倍，但该计划仍存在重大障碍：一是现有的电池不够好。

储存能量以备后用的想法由来已久，但为了推动社会向清洁能源发展，科学家和工程师们正在试验电池的基本元素，寻找更好的原材料来源，甚至测试更奇怪的能量储存想法，比如导电陶瓷。专家们一致认为，无论何时从可再生能源中收集能源，无论是在阳光明媚的月份还是多云的雨季，电池都将是确保电力供应的重要资源。

据预测，到2030年，美国将有超过2600万辆电池驱动的电动汽车上路，其中大部分使用锂离子电池，与笔记本电脑、手机和其他电子产品中的锂离子电池相同。这将使对电池矿物和金属的需求比以往任何时候都高。但是，我们目前的技术是否足以为未来提供动力，它是否真正可持续发展？

波士顿大学工程学院机械工程副教授艾米丽·瑞安（Emily Ryan）说：“如果我们真的想过渡到电动汽车，以及需要更多电网级存储的可再生能源，我们将无法仅靠锂离子实现这一目标。”她澳门威尼斯人注册网站研究制造电池的替代材料。开采当前的原材料，如锂和钴，会造成严重的环境危害和不安全的工作条件，而且现在没有可靠的方法来回收电池，一旦它们被用完，就会造成浪费的噩梦。

波士顿大学全球可持续发展澳门威尼斯人注册网站研究所（Institute for Global Sustainability）所长本杰明•索瓦库尔（Benjamin Sovacool）表示：“电池比看起来复杂得多，因为它们会对你使用它们的地方产生各种影响。”“真正可持续的解决方案将采矿，电池设计，一直到废物处理。”

电池的未来影响着我们所有人——它们使用的材料，金属的来源和开采，如何处理和再利用。现在做出的所有决定和科学发现都将影响我们的未来——比如，通过给汽车充电而不是给油箱加油，可以避免多少温室气体排放？研发更好电池的竞赛可以改变一切。

重塑电池架构

无论是装在手机里、塑料玩具里，还是连接到一个巨大的太阳能电池阵里，每个电池的目的都是一样的：储存电力，直到可以使用为止。在所有电池中，无论大小或强度如何，都有化学和电子工程的微妙结合在起作用。瑞安和波士顿大学的其他人正在澳门威尼斯人注册网站研究如何改进现有电池的设计——例如，通过交换金属的活性层并添加不同的元素来使旧的想法重新变得新颖。

在她的实验室里，Ryan使用复杂的计算机模型来测试替代电池材料，比如锂金属代替锂离子。根据Ryan的说法，使用固体锂金属作为阳极（正极）的锂金属电池可能比使用石墨阳极的锂离子电池具有更高的能量密度。所以，同样大小的电池可以储存更多的能量。

这段视频展示了锂离子电池是如何充电和放电的。锂离子电池为笔记本电脑和电动汽车提供动力。左边的阴极储存锂并在充电时释放离子，因此离子粒子从左向右移动。右边的阳极在电池使用时释放离子，所以离子从右向左移动。中间的分离器使带负电和带正电的电子不接触。视频由美国能源部提供

“如果我们开始在你的手机中使用锂金属电池，你可以每周充电一次，而不是每天充电。或者像我们现在使用的电池大小一样的汽车，你可以行驶600英里而不是300英里，”波士顿大学全球可持续发展澳门威尼斯人注册网站研究所副主任瑞恩说。这也意味着可以使用更小的电池来提供与我们今天相同的容量（大约300英里的范围），因此需要采购的材料更少。

但锂金属远非完美。它的反应性很强，不稳定，在电池充电和放电循环时，会形成树突状的结构。（所有电池都有树突，但在锂金属电池中更为常见。）树突会降低电池寿命并导致短路。瑞安和她的团队，以及以色列耶路撒冷希伯来大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员，正在通过分析材料的界面和化学作用来澳门威尼斯人注册网站研究树突产生的根本原因。通过美国国家科学基金会和以色列国家科学基金会的联合资助，他们正在澳门威尼斯人注册网站研究电池运行过程中发生的化学-物理过程，目的是使电池更稳定。瑞安还测试了其他材料，以找出如何使电池不易燃，因为对于电动滑板车和其他电池供电的设备来说，火灾是一个太常见的问题。

瑞安说：“我们知道现在我们没有走在可持续发展的道路上，所以我认为我们有责任尝试并提出解决方案，帮助我们实现更可持续的能源生产和能源使用。”

树突和火灾只是电池设计缺陷的部分后果。要使电池储存大量能量，它需要大的电极——离子和电子在两端的阳极和阴极之间移动。但是对于一个快速充电的电池来说，它需要是相反的——电极应该是小层的，这样离子就不必从一边到另一边走那么远。

“这确实是电池领域的一个难题，既要拥有尽可能多的能量，又要能够快速充电，”Jörg Werner说，他是一名澳门威尼斯人注册网站研究电池内部发生的事情的机械工程助理教授，被称为电池结构。维尔纳已经着手解决这个问题，他专注于如何使电池内部的材料层尽可能薄，并像两只交叉的手一样交叉。这缩短了负极层和正极层之间的距离，允许离子更快地移动，同时确保正极和负极不接触，否则会使电池短路。

他说：“这种结构将允许我们拥有很大一部分活性材料，这种材料将所有能量储存在我们的电池单元中，但与此同时，我们可以在负极和正极活性材料之间有很短的距离，从而使我们能够快速充电。”这样的设计可以帮助使用电动汽车的人充电（没有双关语），因为电池的充电速度将比目前的车型快得多。

问题实际上是制造这种新电池。沃纳正与工程学副教授基思·布朗合作，利用自主系统加快测试数千种隔膜材料的过程。隔膜材料是介于阳极和阴极之间的可渗透膜，可防止电子短路。他们计划测试数千种薄聚合物分离器，沃纳希望在不久的将来制造出更先进的原型。

沃纳说：“电池的结构及其所有组件对电池的性能有着巨大的影响，而我们作为消费者真正关心的是电池的性能。”

热能作为能量储存

大规模电池存储容量预计将在未来三年内飙升。初创企业也有很多希望渺茫的电池解决方案，比如把能量储存在水泥里给电动汽车充电，把铁转化为铁锈，再转化为铁锈，作为一种储存和释放能量的方法。

“完全可再生能源的瓶颈不是缺乏获取这种能源的技术，”机械工程助理教授肖恩·卢伯纳（Sean Lubner）说。“目前最大的技术障碍之一是能源存储。”

想象一下，如果你家的电力来自太阳能和风能的巨型电池，而不是石油或天然气，它们占世界温室气体排放的大部分。Lubner正在澳门威尼斯人注册网站研究如何将热能作为一种可靠且廉价的大规模储能解决方案，而不是制造昂贵的锂离子电池。他正在开发一种廉价的陶瓷材料，即使加热到1200摄氏度以上，也能安全地储存和导电。

“热量本身就是你用来储存的能量形式，”他说。“然后，这些能量可以转换回电能，或者以热量的形式释放出来。”

这个想法是，风能和太阳能产生的电力将被捕获并转化为高温热量。这些热量可以储存数百小时，直到需要的时候，然后用于不同类型的工业过程，或者通过热机转化为电能。在最近的一篇论文中，Lubner澳门威尼斯人注册网站研究了热能储存的潜力，描述了这些系统如何提供比锂离子电池更便宜的替代品。

他和他的团队已经证明，这种材料可以充电和放电超过700次，这种材料能够承受大约500摄氏度到大约1600摄氏度的温度。即使经过如此大量的使用，“我们看到性能的退化可以忽略不计，这在大多数材料中并不常见，”Lubner说。“有必要确保这些材料具有较长的使用寿命，但我想说，通过适当的工程设计，期望这些材料使用20或30年是非常合理的。”

重新重用

即使这些解决方案在实验室中盘旋，也有一个问题，即如何更好地处理我们现在拥有和需要的电池对环境的影响——在新的选择进入市场之前，我们将继续需要很多年。

“甚至在20年前，我们就在问这样的问题，我们如何建造我们需要的东西来应对气候变化，因为它仍然需要铜、钢和混凝土等能源密集型材料？”索瓦库尔说，他编辑了一本名为《劳特利奇能源安全手册》（The Routledge Handbook of Energy Security）的书，探讨了这些问题。

他的澳门威尼斯人注册网站研究指出，电池生命周期的两端——电池材料的开采和来源，以及电池耗尽后的废物去向——都构成了巨大的环境正义问题、安全隐患和人权风险。

“在工业规模上获得锂的过程可能和西弗吉尼亚州的山顶露天采矿一样糟糕；我们只是没有看到它，因为它在地球的另一边，”Sovacool说，他也是中科院的地球与环境教授。“我在刚果遇到过一些矿工，他们不用铲子就挖矿，实际上是用手挖洞来开采钴或铜。”

然后，在另一端，“我们很不善于处理，”他说。只有不到10%的电池垃圾得到了妥善处理，这意味着大多数电池最终都被扔进了垃圾填埋场，在那里它们泄漏、爆炸并污染环境。Sovacool说，有许多可搜索的数据库可以找到附近的电子废物回收设施，比如GreenCitizen和邮寄服务，但应该有更方便的选择。

他说：“想象一下，如果你在购买劲量（Energizer）和金霸王（Duracell）的电池时给了你一个信封，当它们用完后，你把信封寄回给它们。”“这些都是扩大的生产者责任计划，电池公司说他们有责任回收，这就形成了一个闭环供应链。”

全球电池联盟自2017年成立以来一直致力于这一概念，目标是到2030年建立可持续的电池供应链，包括保障人权和消除童工。去年，他们推出了一个工具，旨在提高汽车电池制造商是否遵循可持续实践的透明度，但目前的信息有限。根据Sovacool的说法，在真正可持续的实践与负担得起的电池和电子产品之间取得平衡，是政策工具和专家们的绊脚石。

“真正的矛盾在于你不能同时拥有廉价电池和可持续电池，”Sovacool说。“如果我们开始将电池成本翻倍，这对我们的低碳转型有什么影响？”这对低收入家庭有什么影响？可持续性很重要，但可负担性也很重要。”他说，这个问题没有简单的答案，而且仍然存在一种紧张局势，迫切需要全球电池联盟（global Battery Alliance）等全球参与者实施解决方案。

有了更好的设计、行业标准和负担得起的解决方案，电池的未来可能会与我们现在想象的大不相同。如果我们都想尽自己的一份力量来防止气候灾难——用电动汽车和太阳能供电的家庭——这是一个不可能很快到来的未来。