普兰特和他发明的铅酸电池。图片来源：bb-batteryasia.com
铅酸电池做不到面面俱到？没关系，后面还有一堆科学家跃跃欲试呢。此后，研究者们又不断探索，发明出采用其他化学反应的充电电池，如镍镉电池、镍氢电池和锂电池。它们能量密度更大，体积更小，可以用于为各类小型电子设备提供电能。
青出于蓝的锂离子电池
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。
查看元素周期表，最佳的候选者落在了锂离子身上：作为3号元素，锂的原子量只有6.9；它既轻又小，比其他大的离子更容易在电解液中移动，可谓不二之选。确定了锂离子，接下来的任务，就是找到可以与之发生可逆反应的电极材料了。到20世纪70年代，美国化学家斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）在埃克森（Exxon）工作时率先发明了锂离子电池。经过多年优化，商业化的可充电锂离子电池在20世纪90年代初在日本推出。
斯坦利·惠廷厄姆目前仍是下一代锂电池设计的重要研发者。图片来源：binghamton.edu
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。
但所谓金无足赤，尽管锂离子电池大获成功，也免不了还有缺点——比如价格较高，容量流失，以及最严重的安全性不高的问题。锂离子电池电解液使用的有机溶剂十分易燃，虽然我们可以通过加入添加剂和改进电池设计来提高电池的稳定性，却终究不是长久之计。
厚望加身的铝离子电池
原理上，我们只要用另一种X离子来替代锂离子，并找到与之匹配的电极和电解液，就可以得到“X离子电池”。在众多“X”的候选者中，铝算是优势比较明显的：它的价格比锂更低，化学性质也更稳定，而且在反应时，每个铝原子可以释放3个电子，似乎是个不错的选择。
然而，研发铝离子电池的道路并不顺利。最大的困难在于找到合适的正极材料和电解液。在以往的研究中，正极材料往往会在充放电过程中发生不可逆的结构破坏，能有效参与反应的部分因而越来越少。最终，电池容量迅速下降，使用寿命只有几十个循环——这显然不能满足人们的需求。
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。
戴宏杰（右）和文章的共同第一作者之一龚明（左）图片来源： Mark Shwartz/Stanford Precourt Institute for Energy
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。
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