根据Donald M. MacArthur和George E. Blomgren撰写的《能源观察，2000年电池工业的发展》(The Powers Review, Year 2000 Battery Industry Developments)，2001年全球电池市场预计为377亿美元。仅1998年一年，在美国的民用和工业电池销售量超过30亿个，电池需求量最大的前三种产品分别为移动电话、笔记本电脑、以及电动工具。每年需要进行处置的数以百万计的电池成了电子工业面临的最严重的环境问题之一。有些电池内含有铅和镉等物质，在特定条件下，可从填埋场的垃圾渗入水中，造成严重的环境健康问题。有毒物质和疾病登记局（Agency for Toxic Substances and Disease Registry, ATSDR）的资料显示，镉由呼吸道吸入后，可引起肺部损伤和死亡，长期暴露可引起肾脏疾病。据健康和人类服务部介绍，镉“极有可能是一种致癌物质。”ATSDR认为，铅可以引起神经系统、肾脏和生殖系统损伤。
电池工业和设备制造商于1994年创建了可充电电池回收公司来回收废旧可充电电池，但也只能解决一部分问题。目前，解决这一问题有两个途径：延长电池寿命和寻求更利于环保的材料来替代电池中的有害成分。
其中一项创新就是锌-气电池。该电池的创新之处在于通过利用空气中的氧气产生能量，而不需使用可能有害的反应剂。这种电池不含毒性较大的化合物，既没有极强的活性，也不具可燃性。已经成功设计出锌-气电池的佐乔治亚州Smyrna市AER能源资源市场和许可部副总裁Frank Harris说：“重要的是我们对电池应抱现实的态度。电池内含有金属，正因为如此，才不可能有真正意义上的‘绿色’电池。我们的目标是使用尽可能利于环保的金属。例如，锌[不添加汞]要比有些类型的电池使用的重金属毒害更低。”
锌-气电池的局限性是与环境空气不断接触后，电池中的锌凝胶会干涸，或者充满水汽，从而降低电池的效率。AER已经找到了解决这一问题的方法。其专有的“空气扩散控制器”可以阻止空气进入未启用的电池。将空气控制器内置在电池内，当电池处于工作状态时，控制器就会开启，将空气由进气管导入，启动化学反应。当电池处于存放状态或不使用时，“空气扩散控制器”会使扩散入和扩散出电池的空气量降低到最低水平。据Harris介绍，新型电池采用控制器后，电池寿命延长，能量密度即能量与重量或体积的比值也大大提高。
镍-金属氢化物
令电池行业最头痛的就是电池成分中的钴，它一般是在生产镍时产生的一种副产品。钴可引起哮喘病和肺炎。国际癌症研究所已将其列为“可能的致癌物质”。由于其摄取电子的倾向，钴被用作电池的电极。James Reilly，纽约厄普顿布鲁克哈文国家实验室能源科学与技术部(Brookhaven National Laboratory's Department of Energy Sciences and Technology)客座研究员，是目前电极新型合金的研究小组的成员。这个小组正在寻求可用作电极的新型合金，以延长电池使用寿命，且使之更宜于环保。该小组开发的一种可取代钴的由镧、镍和锡组成的新型合金最近已获专利。
“镍-金属氢化物镍氢电池（以下简称镍氢电池）是一种很好的电池”，Reilly说，“这种电池的能量密度要比镍-镉电池（镍-镉电池）高出很多，而且环境毒性更低。镍氢电池的一个不利因素是成本，大约是镍-镉电池的两倍，因为钴的价格很高。”Reilly所在研究小组发现，锡是一种亲环境性的材料，可以取代合金中的钴。新的电极材料配方由一个镧原子比5.157个镍-锡组合原子构成。该材料制成的电极，能量存储容量极高，且经多次充电/放电循环后不衰减。“如果能够降低镍氢电池的生产成本”，Reilly说，“那么，镍氢电池就会取代镍-镉电池并可得到更广泛的应用，使环境受益。在这一点上，是否采用此项技术将取决于电池生产企业。”
锂离子
松下电器已经开始研究用镍氢电池取代镍-镉电池，但镍氢电池不适合用在大功率的电动工具。尽管已经开发成功一些可以用于大功率的镍氢电池，但价格很昂贵。松下技术公司电池研究开发中心业务发展部主任Kurt Kelty说：“由于缺乏强制性措施，消费者以及生产电动工具的生产厂家还是坚持使用镍-镉电池。他们更愿意使用无论是从价格角度，还是从功率角度，都能满足他们需求的电池”，Kelty说。全球范围内，工业界都正从镍-镉电池向锂离子电池过渡。“欧洲在正式考虑淘汰镍-镉电池”，他说，“但在美国，这一趋势尚不明显。”如今，锂离子电池主要用于移动电话和笔记本电脑。锂比工业界使用的许多其它物质更利于环保，而且锂电池的使用寿命更长，可以推迟污染物质进入废物流的时间。但这并不是说锂就没有风险。如果是硫化锂这种普通的锂盐，锂会和水发生剧烈反应，形成硫酸。而且，早期的锂电池被归为易燃易爆品。如果大剂量摄入，可能会导致肾脏和肝脏中毒。
锂金属本身比较活跃。但当锂电池放电后，金属锂就转化成一种惰性化合物。据国家电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association, NEMA）介绍，废旧锂电池已经通过美国环保局试验，不属有害废物。据此，国家电气制造商协会认为将废旧电池与城市固体废物一起处理是安全的。
锂离子电池具有极高的能量密度，是用于多种用途的理想电源。但是，锂电池使用的是锂氧化钴做电极。布鲁克哈文国家实验室能量科学与技术部研究员Jim McBreen指出，即使是一块小小的AA电池（5号电池）所使用的钴也有半盎司（14.2克），而电动机车的电池的钴用量就要多得多。钴的价格大约为60美元/公斤，“但钴的产量实在无法满足电动机车电池生产的需求”，他说，“而开发锂离子电池的目的之一是为了解决电动机车电池的需求。”
锂-锰化合物是一种极好的替代物。但是，正如McBreen所解释的，事情并没有那么简单。他说：“氧化锰毒性更小，而且要便宜很多。但问题是，在目前使用的电解液中，锰很不稳定，而且锂-锰电池容易丧失其快速充电的能力。高温时的情况甚至更糟糕，不适合用于汽车发动机。”
布鲁克哈文研究小组采取的措施是另外研制一种以硼为基础的电解液，所获得的电导率基本相同且不会造成锰电极的分解。根据有ATSDR的资料，硼已广泛应用玻璃、化妆品、阻燃剂、照相材料、和肥皂的生产中（都是以硼酸盐的形式）。尽管大剂量的硼会刺激咽喉和肺部，并导致胃、肝、肾、脑损伤，但硼在电池中使用的剂量，却比钴对环境的危害小得多且安全得多。
细菌电池
在探求更宜于环保的电池的过程中，有的研究人员甚至试验了海底的淤泥。马萨诸塞大学(University of Massachusetts)的微生物学家们已经成功利用海底沉积物中常见的一组细菌代谢所产生的能量来发电。
这些细菌属于Geobacteraceae科，通过分解海底沉淀的有机物来获得生存所需的能量。在这一分解过程中，这些细菌会释放出电子流，若加以引导，就可产生电能。将一个阳极埋入海泥，用一根铜线将其与置于海水中的阴极连接。当细菌分解泥土中的有机物时就会产生电流（还有一个额外的优点，这些细菌还能降解苯等有毒有机污染物，将它们转化成二氧化碳以及其它无毒物质）。目前，研究人员正在考虑将这种细菌产生的微小电流用来给远程感测站等提供电力，从而避免长途跋涉去更换电池。此项研究目前仍处在早期阶段，迄今，获得的电流输出还很小，但已经显示出其乐观的前景。
碳纳米管
另一个研究小组寻求新能源的道路上更是另辟蹊径。北卡罗来纳大学(University of North Carolina at Chapel Hill) 北卡罗来纳中心纳米材料主任Otto Zhou及其研究小组正在研究纳米管的超微结构，力图找到一种在电池内储电的新方法。
锂离子电池有一个电极通常使用石墨或碳质材料。电极上发生的反应可生成电子流，产生并储存能量。但是，电极材料的原子结构限制了可储存的能量。应用纳米管以后，储存量就被大大提高。Zhou说，实际上“使用现有的石墨电极，在充电时，每六个碳原子才能可逆地储存一个带电的锂离子。但我们发现，使用纳米管后，每三个碳原子就可以储存一个带电的锂离子。”
Zhou说，有几种方法可以制造碳纳米管。“可以用固体石墨，在受控环境下，加入大量能量，就可将石墨转换成原子形态的碳。这种形态的碳可以在镍或钴等催化剂作用下发生反应，在特定条件下形成管状结构。或者也可以用一氧化碳等碳化合物同样处理。”
他说，最后得到的是一根非常细的圆柱状小管--直径小于1纳米，壁厚仅为一个原子，管子两头封闭。按照Zhou的介绍，他们的研究小组已经发现了一种方法“将管子一头切掉”，形成一个坚实的与可放电的锂离子有高亲合力的储电装置。这种电池的放电过程也就是将锂离子从纳米管中吸引出来的过程。在这一过程中，锂离子释放能量，同时被吸引到电池的另一极。对电池进行充电时，只需施加能量，强迫锂离子回到纳米管。 “我们目前还未达到产品商业化阶段”，Zhou说，“首先，用碳生产纳米管价格非常高。我们的实验室每天大约也就能生产半克。但是如果要用于电池生产，产量必须以公斤计算。即使最小的电池，需要的纳米管也得以百万计。同时，我们也在研究确定这种电池的可充电-放电次数以及电压稳定性之类的问题”。
“电池生产商已经对我们的技术表示了兴趣，我们正在与几家公司商讨如何利用此项技术生产电池，但是（离真正投入生产）还有很大的距离。如果此项技术能够取得成功，那么，所生产出来的电池就会更小、更轻，但所产生的电量却和如今的大电池一样，而且，使用寿命还可能会长得多。这也是关键所在。”
Kelty说，这就是整个电池革新的发展过程。“我们最终的目的是为了生产出能为笔记本电脑之类的电器安全供电的燃料电池。当然，燃料电池并不能取代所有的电池，但是有很大的市场空间。而且，燃料电池会给环境带来巨大的利益：除了二氧化碳之外，没有其它有毒金属废物，功率容量为锂离子电池的好几倍。但是一切尚在研究阶段。对于电池工业和环境来说，这些技术具有极其重要的意义。”
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电池的主要品种
从基本原理上来说，电池只是一种将化学能转化成电能的装置。电池分为原电池（可进行一次连续或断续放电）和二次电池（可进行多次充电）。电池由两个电极（阳极和阴极）和某种形式的电解质（可形成导电溶液的固体或液体物质）构成。由于水分子不能分解成大量离子，因此纯净的水不导电。但是在水中加入氯化钠（NaCl）后，氯化钠就会溶解成Na+离子和Cl-离子，使溶液具有导电性。 NiCAD（镍-镉）电池的阳极为镉，阴极为氢氧化镍Ni(OH)2。电解液为水化氢氧化钾（KOH）水溶液。该电池优点为高消耗和低温场合性能优越，货架寿命长，使用寿命长。 NiMH（镍-氢）电池包括一个以氢氧化镍为主要活性成分的阳极板和一个吸附氢的阴极合金（如NiFe和MgNi）板，内有一个由细纤维制成的隔板，用碱性电解液，装在金属外壳里，带一块可自动打开安全排气口的密封板。 锌-气电池，氧气与多孔碳制成的带有正电荷的电极接触后，与水发生反应，形成氢氧基，氢氧基经空气隔离器向由锌凝胶构成的带负电荷的电极移动。氢氧基与锌分子结合形成锌酸盐。锌酸盐再分解成两个氢氧基、一个水分子、和氧化锌，释放出两个电子，通过电路可为助听器之类的装置提供电力。 锂离子电池包括一个碳基负极和一个锂过渡金属氧化物正极（如锂氧化钴，以避免因使用金属锂发生的危险）。充电时，锂离子被从阳极材料中吸引出来并与阴极材料结合（放电时反之）。该电池不使用镉，但由于钴成本高昂，使得大规模生产大规格锂离子电池，如电动汽车电池，不具备经济可行性。 |
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--Lance Frazer
译自Environmental Health Perspectives A200-A203 (2002)
Last Updated: June 5, 2003