一辆电动汽车在英国的停车场充电，该国将于2035年禁止销售汽油和柴油汽车。图片来源：Chris Ratcliffe/Bloomberg/Getty
用于电动汽车的电池领域正在酝酿一场革命。日本汽车制造商丰田去年表示，其目标是在2027-28年推出一款可行驶1000公里、充电仅需10分钟的汽车，而实现这个目标所使用的电池，将会是把电池里的液体成分替换成为固体。
不止一家中国制造商已宣布将于2024年推出廉价电动汽车，其电池将不再基于为当今最好的电动汽车（EV）提供动力的锂，而是基于廉价的钠——地壳中最丰富的元素之一。美国一家实验室推出了一种梦幻电池，这种电池部分依靠空气运行，其能量足以为飞机提供动力，令世界惊叹不已。
研究人员正在尝试不同的技术路线，以降低电池的成本、延长续航里程并实现其他方面的改进。传统的锂离子电池在电动汽车中占据主导地位已达数十年之久，而与上面这些技术类似的替代技术，正如雨后春笋般不断涌现。尽管锂离子电池很难被击败，但研究人员认为，一系列新技术很快就会填补电池市场的不同空白：有些非常便宜，有些则提供更多电能。
开发更好汽车电池的赛道竞争十分激烈，这在很大程度上是因为汽车市场正在飞速发展。十多个国家已经宣布，到2035年甚至更早些时候，所有的新车都必须是电动汽车。国际能源署预测，全球道路上的电动汽车保有量将从2021年的1650万辆增加到2030年的近3.5亿辆，到2050年，电动汽车电池的需求将达到14太瓦时，是2020年的90倍。
汽车电池有一系列严格的要求。他们需要将尽可能多的电量充入尽可能少的材料和重量中，这样一辆车在单次充电后就能跑得更远。加速的动力要强、充电的速度要快、使用的寿命要长、要能够在很宽的温度范围内正常工作，并且还要足够安全和廉价。因此，研究人员正在根据不同的目标寻求不同的解决方案。
电池实际上是一个化学上的三明治结构，其工作原理是通过一些中间物质（电解质）将带电离子从一侧（阳极）传送到另一侧（阴极），同时电子在外电路中流动。给电池充电意味着让带电离子回流到阳极。今天，大多数电动汽车都使用某种锂离子电池。锂是元素周期表中第三轻的元素，具有一个活性外层电子，使其离子成为极佳的能源载体。锂离子在通常由石墨制成的阳极和由金属氧化物制成的阴极之间移动，两者的原子层之间都含有锂离子。
电解质通常是有机液体。
自1991年推出第一款商业产品以来，锂离子电池已经取得了长足的进步：能量密度几乎翻了三倍，而价格却下降了一个数量级。迄今为止，锂离子电池的大部分进步都来自阴极材料的改进，从而产生了多种类型的商业电池。其中一种使用钴酸锂的电池主要用于笔记本电脑中，这种电池相对较轻，但价格昂贵。其他类型的电池则使用镍和钴的混合物，并以铝或锰作为稳定剂，多用于电动汽车中。
还有磷酸铁锂电池，它不使用昂贵的钴和镍，但迄今为止能量密度相对较低。磷酸铁锂的低成本使其颇具吸引力，许多研究人员和公司都在试图改进它。美国电动汽车制造商特斯拉在2021年决定在中档汽车中改用磷酸铁锂电池。
阴极材料的成分还有进一步调整的空间。在NCM电池中，研究人员一直在降低成本较高的钴的用量，转而使用能量密度更高的镍。
与此同时，在阳极，一种常见的选择是将石墨换成硅，这种材料每单位重量可以储存十倍以上的锂原子。但是，硅在充放电循环过程中会膨胀和收缩约300%，给电池结构带来很大的压力，并缩短使用寿命。比硅更好的阳极材料其实就是锂金属本身。除了减轻重量之外，这还可以加快充电速度，因为无需等待锂离子插入任何原子层之间。
但这种策略的一个大问题是，在充电过程中，锂往往会不均匀地重新沉积在阳极上，沉积较多的地方会形成被称为锂枝晶的树状突起，这些枝晶会刺穿电解质并使其短路。
因为电极更好的电池有这么些问题，许多人认为最诱人的解决方案是用固体取代液体作为电解质。固态电池的想法是使用陶瓷或固态聚合物作为电解质，这种电解质既能让锂离子通过，又能阻止枝晶的形成。
这不仅使得全锂阳极的使用变得更加容易，带来能量密度方面的优势，而且摆脱易燃有机液体也意味着消除可能起火的危险。但固态电池也存在挑战——特别是如何在层与层之间制造光滑无瑕的界面。此外，离子在固体中的传输速度往往比在液体中慢，从而限制了功率的提高。而且，固态电池需要全新的制造工艺。
一些电池公司正在着力推进固态电池的发展。
例如，位于科罗拉多州路易斯维尔的Solid Power公司已开始试生产带有硅基阳极的固态电池，据称其能量密度高达390 Wh kg-1。而加利福尼亚州的QuantumScape拥有另一种固态电池技术，其具有锂阳极的优点，并且重量更轻，还采用了无阳极的设计：锂金属聚集在阳极侧，但不需要在阳极上安装锂板。其中一些技术细节是受专利保护的。
总的来说，固态电池所宣称的更高能量密度目前“在任何规模的商业化中尚未得到证实”。
一些科学家认为，相比于继续寻求能储存更多能量的神奇电池，最迫切的问题是需要选出一种廉价且长期可持续的电池化学物质。很多研究人员和公司都在尝试制造不使用镍、钴或其他昂贵金属的电池。
例如，QuantumScape公司称其电池具有这种优势，除此之外，锂空气、锂硫（如果可以研发出来的话）、其他实验性的材料，以及已经商业化的磷酸铁锂阴极也是如此。Ceder正在研究被称为无序岩盐的阴极替代材料。DRX依靠的理念是，锂离子只能在阴极晶体中蜿蜒穿行，而非层层有序穿透，因此阴极几乎可以用任何过渡金属制造。Ceder的团队倾向于使用锰和钛。
他预计，首批使用DRX阴极的电池将比目前的锂离子电池更便宜，能量密度也不相上下。
也许最终目标是干脆摆脱锂元素。由于需求旺盛和供应紧张，锂金属的价格出现了剧烈波动。例如，2022-23年，电池级碳酸锂的价格曾一度飙升至平常的六倍。研究人员曾尝试使用镁、钙、铝和锌等许多其他电荷载体来替代锂，但钠的研究工作是进展最快的。钠在元素周期表中位于锂的正下方，使其原子更重、更大，但具有相似的化学性质。
这意味着锂电池开发和制造过程中的许多经验都可以直接复制到钠电池上。而且钠的来源要容易得多：钠在地壳中的含量是锂的1000倍。钠电池已经投产。中国企业集团比亚迪的首座钠电池工厂已破土动工。中国汽车制造商奇瑞、江铃和江淮今年都宣布在中国推出由钠离子电池驱动的经济型轿车。这些小型车的上市价格预计在10000美元左右。
从好的方面来说，钠的原子尺寸更大，这为阴极层状金属氧化物中可使用的金属元素类别提供了更多选择。但与锂相比，钠的重量更重，因此从根本上说，钠离子电池更难实现较高的能量密度。钠离子电池的开发时间也相对较短，还没来得及找到最好的电极和电解质材料，使其当前的能量密度仅相当于锂离子电池十年前的最好水平。CATL宣称其钠离子电池在2021年达到了160 Wh kg-1的能量密度，而价格为每千瓦时77美元。
该公司表示，下一型号的能量密度将提高到200 Wh kg-1。这些较低的能量密度意味着续航里程有限。预计使用钠电池的超紧凑型汽车的宣传续航里程约为250-300公里，而使用锂电池的特斯拉Model S的续航里程接近600公里。
人工智能和自动合成技术正被用于更快地探索出更多选择。例如，美国能源部位于华盛顿州里奇兰的太平洋西北国家实验室正与微软公司合作，快速开发新的电池材料。通过这种方法找到的一种锂钠固体电解质目前正在进行初步测试。但Nazar认为，这些人工智能策略受限于研究人员所能提供的信息。她说，电极和电解质材料的界面在原子水平上究竟发生了什么，还有很多未知数。
最后，专家表示，我们很可能会在未来的汽车上看到一系列不同的电池，就像我们今天有2缸、4缸和6缸发动机一样。例如，我们可能会看到钠电池或锂电池用于低档汽车、叉车或特种车辆。然后是改进型的硅阳极或岩盐阴极等锂离子电池用于中档汽车，固态锂电池也可能主宰这个档位。此外，高端汽车或飞行出租车可能会使用锂硫甚至锂空气电池。但还有很多工作要做。