近日，斯坦福大学的戴宏杰研究组在《自然》发表论文，宣布研发出了充电极快、寿命超长的铝离子电池，引起了广泛关注。比起耳熟能详的“锂电池”，人们对铝离子电池的感觉要陌生得多。为什么要研发这样的新电池？这还得从充电电池的发展说起。
电池是生活中再常见不过的物品了。它进入人类世界已有200年的历史。早在1800年，意大利科学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）就发明了“伏打电堆”。伏打电堆由很多个单元堆叠而成，每个单元都有一块铜板和一块锌板，中间由一块浸有盐水的布隔开。时至今日，生活中常见的碱性电池、铅酸电池、锂电池等电池，都与古老的伏打电堆共享着同样的工作原理：通过氧化还原反应将自己储存的化学能转化为电能。
但如果用一次性电池为随身听供电，那么一张专辑刚刷几遍，电池就该扔了。一次性电池的电化学反应是不可逆的，也就是说，化学能转化为电能的旅程只能一条路走到黑，电量用尽，电池也没用了。能不能来一种可以重复使用的电池？这种“得寸进尺”的需求，最终促成了世界上最早的可充电电池——铅酸电池的诞生。它由法国物理学家加斯顿·普兰特（Gaston Planté）于1859年发明。
可充电电池采用的是可逆的电化学反应，只要施加外电压，改变电子流动的方向（从正极流向负极），电池两极就会发生与放电时方向相反的化学反应，仿佛“返老还童”，最终重新充满电力。
之前说到，电池工作时，电子通过外电路从负极流向正极。与此同时，相同电荷量的正离子则在电池内部从负极向正极流动。早期的电池都使用诸如稀硫酸这样的以水为溶剂的电解液。在这种情况下，电池内肩负维持电荷平衡任务的是氢离子。然而，使用水系电解液的电池，最多能达到的工作电压也不过2伏左右。如果我们想要获得更高的电压，输出更大功率，就要使用不含水的电解液，找到替代氢离子的正离子。
锂离子电池的负极使用石墨，正极使用钴酸锂，电解液则使用含有锂盐（如六氟磷酸锂）的有机溶剂。放电时，嵌入在石墨负极中的锂被氧化进入电解液，跑到正极嵌入到氧化钴的晶格间隙中形成钴酸锂；充电时，锂则从钴酸锂中脱嵌，溜回石墨中，如此循环往复。这样的电池，工作电压可达到3.7伏以上，能量密度大大提高。
在研究者们锲而不舍的努力之下，上月，铝离子电池终于迎来了大突破。
斯坦福大学化学系的戴宏杰教授在《自然》发文宣布，他的研究小组成功制造出了超长寿命的铝离子电池。这种电池选用铝金属作为负极，正极则是一种三维结构的泡沫石墨。秘制电解液由有机盐 [EMIm]Cl（1-ethyl-3-methylimidazolium chloride）和 AlCl3 按一定比例混合制成的离子液体。负责在电解液中转移电荷的离子是 AlCl4-。
电池放电时，铝负极被氧化生成 Al2Cl7-，同时释放电子；本来嵌入在泡沫石墨正极孔隙中的 AlCl4- 则脱嵌进入电解液。充电时，电解液中的 AlCl4- 则重新嵌入到泡沫石墨孔隙当中。因为 AlCl4- 离子的体积较大，因此找到一种可以允许它快速嵌入/脱嵌的正极材料颇为关键。研究人员巧妙地制备了泡沫石墨——它内部充满空隙，表面积很大，让 AlCl4- 离子可以快速自由地进出。
在经过惊人的7500次充放电循环后，这些铝离子电池的容量几乎没有损失，工作电压也稳定在2伏左右。除了寿命长，这种铝离子电池功率密度也很高（3000W·kg–1），可以在一分钟内充满电。此外，它们柔性极好，可以随意弯曲；安全性能也超棒，哪怕用电钻将它钻穿，也不会影响它正常工作。
说了这么多优点，这样的铝离子充电电池什么时候能走进我们的生活？恐怕还早得很。
目前，它的工作电压只有锂离子电池的一半，能量密度也只有 40 Wh·kg–1，与铅酸电池相当，还不到锂离子电池的三分之一，所以大家应该还没法在智能手机、笔记本电脑或电动汽车里看到它。除了性能的提高还潜力很大之外，这些铝离子电池的生产成本也有待降低——它的电解液使用离子液体，价格较高；用于制备泡沫石墨正极的化学气相沉积法也不便宜、是很难投入大规模生产的工艺。
要达到“物美价廉”，研究者们还有很长的路要走。