根据Donald M. MacArthur和George E. Blomgren撰寫的《能源觀察，2000年電池工業的發展》(The Powers Review, Year 2000 Battery Industry Developments)，2001年全球電池市場預計為377億美元。僅1998年一年，在美國的民用和工業電池銷售量超過30億個，電池需求量最大的前三种產品分別為移動電話、筆記本電腦、以及電動工具。每年需要進行處置的數以百万計的電池成了電子工業面臨的最嚴重的環境問題之一。有些電池內含有鉛和鎘等物質，在特定條件下，可從填埋場的垃圾滲入水中，造成嚴重的環境健康問題。有毒物質和疾病登記局（Agency for Toxic Substances and Disease Registry, ATSDR）的資料顯示，鎘由呼吸道吸入后，可引起肺部損傷和死亡，長期暴露可引起腎臟疾病。据健康和人類服務部介紹，鎘“极有可能是一种致癌物質。”ATSDR認為，鉛可以引起神經系統、腎臟和生殖系統損傷。
電池工業和設備制造商于1994年創建了可充電電池回收公司來回收廢舊可充電電池，但也只能解決一部分問題。目前，解決這一問題有兩個途徑：延長電池壽命和尋求更利于環保的材料來替代電池中的有害成分。
其中一項創新就是鋅-气電池。該電池的創新之處在于通過利用空气中的氧气產生能量，而不需使用可能有害的反應劑。這种電池不含毒性較大的化合物，既沒有极強的活性，也不具可燃性。已經成功設計出鋅-气電池的佐喬治亞州Smyrna市AER能源資源市場和許可部副總裁Frank Harris說：“重要的是我們對電池應抱現實的態度。電池內含有金屬，正因為如此，才不可能有真正意義上的‘綠色’電池。我們的目標是使用盡可能利于環保的金屬。例如，鋅[不添加汞]要比有些類型的電池使用的重金屬毒害更低。”
鋅-气電池的局限性是与環境空气不斷接触后，電池中的鋅凝膠會干涸，或者充滿水汽，從而降低電池的效率。AER已經找到了解決這一問題的方法。其專有的“空气擴散控制器”可以阻止空气進入未啟用的電池。將空气控制器內置在電池內，當電池處于工作狀態時，控制器就會開啟，將空气由進气管導入，啟動化學反應。當電池處于存放狀態或不使用時，“空气擴散控制器”會使擴散入和擴散出電池的空气量降低到最低水平。据Harris介紹，新型電池采用控制器后，電池壽命延長，能量密度即能量与重量或体積的比值也大大提高。
鎳-金屬氫化物
令電池行業最頭痛的就是電池成分中的鈷，它一般是在生產鎳時產生的一种副產品。鈷可引起哮喘病和肺炎。國際癌症研究所已將其列為“可能的致癌物質”。由于其攝取電子的傾向，鈷被用作電池的電极。James Reilly，紐約厄普頓布魯克哈文國家實驗室能源科學与技朮部(Brookhaven National Laboratory's Department of Energy Sciences and Technology)客座研究員，是目前電极新型合金的研究小組的成員。這個小組正在尋求可用作電极的新型合金，以延長電池使用壽命，且使之更宜于環保。該小組開發的一种可取代鈷的由鑭、鎳和錫組成的新型合金最近已獲專利。
“鎳-金屬氫化物鎳氫電池（以下簡稱鎳氫電池）是一种很好的電池”，Reilly說，“這种電池的能量密度要比鎳-鎘電池（鎳-鎘電池）高出很多，而且環境毒性更低。鎳氫電池的一個不利因素是成本，大約是鎳-鎘電池的兩倍，因為鈷的价格很高。”Reilly所在研究小組發現，錫是一种親環境性的材料，可以取代合金中的鈷。新的電极材料配方由一個鑭原子比5.157個鎳-錫組合原子构成。該材料制成的電极，能量存儲容量极高，且經多次充電/放電循環后不衰減。“如果能夠降低鎳氫電池的生產成本”，Reilly說，“那么，鎳氫電池就會取代鎳-鎘電池并可得到更廣泛的應用，使環境受益。在這一點上，是否采用此項技朮將取決于電池生產企業。”
鋰离子
松下電器已經開始研究用鎳氫電池取代鎳-鎘電池，但鎳氫電池不适合用在大功率的電動工具。盡管已經開發成功一些可以用于大功率的鎳氫電池，但价格很昂貴。松下技朮公司電池研究開發中心業務發展部主任Kurt Kelty說：“由于缺乏強制性措施，消費者以及生產電動工具的生產厂家還是堅持使用鎳-鎘電池。他們更愿意使用無論是從价格角度，還是從功率角度，都能滿足他們需求的電池”，Kelty說。全球范圍內，工業界都正從鎳-鎘電池向鋰离子電池過渡。“歐洲在正式考慮淘汰鎳-鎘電池”，他說，“但在美國，這一趨勢尚不明顯。”如今，鋰离子電池主要用于移動電話和筆記本電腦。鋰比工業界使用的許多其它物質更利于環保，而且鋰電池的使用壽命更長，可以推遲污染物質進入廢物流的時間。但這并不是說鋰就沒有風險。如果是硫化鋰這种普通的鋰鹽，鋰會和水發生劇烈反應，形成硫酸。而且，早期的鋰電池被歸為易燃易爆品。如果大劑量攝入，可能會導致腎臟和肝臟中毒。
鋰金屬本身比較活躍。但當鋰電池放電后，金屬鋰就轉化成一种惰性化合物。据國家電气制造商協會（National Electrical Manufacturers Association, NEMA）介紹，廢舊鋰電池已經通過美國環保局試驗，不屬有害廢物。据此，國家電气制造商協會認為將廢舊電池与城市固体廢物一起處理是安全的。
鋰离子電池具有极高的能量密度，是用于多种用途的理想電源。但是，鋰電池使用的是鋰氧化鈷做電极。布魯克哈文國家實驗室能量科學与技朮部研究員Jim McBreen指出，即使是一塊小小的AA電池（5號電池）所使用的鈷也有半盎司（14.2克），而電動机車的電池的鈷用量就要多得多。鈷的价格大約為60美元/公斤，“但鈷的產量實在無法滿足電動机車電池生產的需求”，他說，“而開發鋰离子電池的目的之一是為了解決電動机車電池的需求。”
鋰-錳化合物是一种极好的替代物。但是，正如McBreen所解釋的，事情并沒有那么簡單。他說：“氧化錳毒性更小，而且要便宜很多。但問題是，在目前使用的電解液中，錳很不穩定，而且鋰-錳電池容易喪失其快速充電的能力。高溫時的情況甚至更糟糕，不适合用于汽車發動机。”
布魯克哈文研究小組采取的措施是另外研制一种以硼為基礎的電解液，所獲得的電導率基本相同且不會造成錳電极的分解。根据有ATSDR的資料，硼已廣泛應用玻璃、化妝品、阻燃劑、照相材料、和肥皂的生產中（都是以硼酸鹽的形式）。盡管大劑量的硼會刺激咽喉和肺部，并導致胃、肝、腎、腦損傷，但硼在電池中使用的劑量，卻比鈷對環境的危害小得多且安全得多。
細菌電池
在探求更宜于環保的電池的過程中，有的研究人員甚至試驗了海底的淤泥。馬薩諸塞大學(University of Massachusetts)的微生物學家們已經成功利用海底沉積物中常見的一組細菌代謝所產生的能量來發電。
這些細菌屬于Geobacteraceae科，通過分解海底沉淀的有机物來獲得生存所需的能量。在這一分解過程中，這些細菌會釋放出電子流，若加以引導，就可產生電能。將一個陽极埋入海泥，用一根銅線將其与置于海水中的陰极連接。當細菌分解泥土中的有机物時就會產生電流（還有一個額外的优點，這些細菌還能降解苯等有毒有机污染物，將它們轉化成二氧化碳以及其它無毒物質）。目前，研究人員正在考慮將這种細菌產生的微小電流用來給遠程感測站等提供電力，從而避免長途跋涉去更換電池。此項研究目前仍處在早期階段，迄今，獲得的電流輸出還很小，但已經顯示出其樂觀的前景。
碳納米管
另一個研究小組尋求新能源的道路上更是另辟蹊徑。北卡羅來納大學(University of North Carolina at Chapel Hill) 北卡羅來納中心納米材料主任Otto Zhou及其研究小組正在研究納米管的超微結构，力圖找到一种在電池內儲電的新方法。
鋰离子電池有一個電极通常使用石墨或碳質材料。電极上發生的反應可生成電子流，產生并儲存能量。但是，電极材料的原子結构限制了可儲存的能量。應用納米管以后，儲存量就被大大提高。Zhou說，實際上“使用現有的石墨電极，在充電時，每六個碳原子才能可逆地儲存一個帶電的鋰离子。但我們發現，使用納米管后，每三個碳原子就可以儲存一個帶電的鋰离子。”
Zhou說，有几种方法可以制造碳納米管。“可以用固体石墨，在受控環境下，加入大量能量，就可將石墨轉換成原子形態的碳。這种形態的碳可以在鎳或鈷等催化劑作用下發生反應，在特定條件下形成管狀結构。或者也可以用一氧化碳等碳化合物同樣處理。”
他說，最后得到的是一根非常細的圓柱狀小管--直徑小于1納米，壁厚僅為一個原子，管子兩頭封閉。按照Zhou的介紹，他們的研究小組已經發現了一种方法“將管子一頭切掉”，形成一個堅實的与可放電的鋰离子有高親合力的儲電裝置。這种電池的放電過程也就是將鋰离子從納米管中吸引出來的過程。在這一過程中，鋰离子釋放能量，同時被吸引到電池的另一极。對電池進行充電時，只需施加能量，強迫鋰离子回到納米管。 “我們目前還未達到產品商業化階段”，Zhou說，“首先，用碳生產納米管价格非常高。我們的實驗室每天大約也就能生產半克。但是如果要用于電池生產，產量必須以公斤計算。即使最小的電池，需要的納米管也得以百万計。同時，我們也在研究确定這种電池的可充電-放電次數以及電壓穩定性之類的問題”。
“電池生產商已經對我們的技朮表示了興趣，我們正在与几家公司商討如何利用此項技朮生產電池，但是（离真正投入生產）還有很大的距离。如果此項技朮能夠取得成功，那么，所生產出來的電池就會更小、更輕，但所產生的電量卻和如今的大電池一樣，而且，使用壽命還可能會長得多。這也是關鍵所在。”
Kelty說，這就是整個電池革新的發展過程。“我們最終的目的是為了生產出能為筆記本電腦之類的電器安全供電的燃料電池。當然，燃料電池并不能取代所有的電池，但是有很大的市場空間。而且，燃料電池會給環境帶來巨大的利益：除了二氧化碳之外，沒有其它有毒金屬廢物，功率容量為鋰离子電池的好几倍。但是一切尚在研究階段。對于電池工業和環境來說，這些技朮具有极其重要的意義。”
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電池的主要品种
從基本原理上來說，電池只是一种將化學能轉化成電能的裝置。電池分為原電池（可進行一次連續或斷續放電）和二次電池（可進行多次充電）。電池由兩個電极（陽极和陰极）和某种形式的電解質（可形成導電溶液的固体或液体物質）构成。由于水分子不能分解成大量离子，因此純淨的水不導電。但是在水中加入氯化鈉（NaCl）后，氯化鈉就會溶解成Na+离子和Cl-离子，使溶液具有導電性。 NiCAD（鎳-鎘）電池的陽极為鎘，陰极為氫氧化鎳Ni(OH)2。電解液為水化氫氧化鉀（KOH）水溶液。該電池优點為高消耗和低溫場合性能优越，貨架壽命長，使用壽命長。 NiMH（鎳-氫）電池包括一個以氫氧化鎳為主要活性成分的陽极板和一個吸附氫的陰极合金（如NiFe和MgNi）板，內有一個由細纖維制成的隔板，用鹼性電解液，裝在金屬外殼里，帶一塊可自動打開安全排气口的密封板。 鋅-气電池，氧气与多孔碳制成的帶有正電荷的電极接触后，与水發生反應，形成氫氧基，氫氧基經空气隔离器向由鋅凝膠构成的帶負電荷的電极移動。氫氧基与鋅分子結合形成鋅酸鹽。鋅酸鹽再分解成兩個氫氧基、一個水分子、和氧化鋅，釋放出兩個電子，通過電路可為助听器之類的裝置提供電力。 鋰离子電池包括一個碳基負极和一個鋰過渡金屬氧化物正极（如鋰氧化鈷，以避免因使用金屬鋰發生的危險）。充電時，鋰离子被從陽极材料中吸引出來并与陰极材料結合（放電時反之）。該電池不使用鎘，但由于鈷成本高昂，使得大規模生產大規格鋰离子電池，如電動汽車電池，不具備經濟可行性。 |
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--Lance Frazer
譯自Environmental Health Perspectives A200-A203 (2002)
Last Updated: June 5, 2003