充电,再快一点

3月10日这一天，全球的“苹果粉”都等待蒂姆・库克（Tim Cook）在旧金山芳草地艺术中心的亮相。然而，一个半小时的2015苹果春季会之后，大多数人只记住了两件事：土豪金版的Apple Watch，以及它在常规状态下只能续航18小时。

坏消息不止于此。这不仅是一款需要每天充电的手表，而且，充满100%的电量需要2.5小时。Apple Watch内置的锂电池容量达到750mAh，在可穿戴设备中已属佼佼者，但这仍无法避免随身携带的“充电宝”将成为Apple Watch标配的事实。

而受困扰的不只是Apple Watch。

智能硬件的迭代越来越快，屏幕的增大、分辨率的提高以及运算速度的加快需要消耗更多的电量。几乎所有的消费者都在抱怨电池越来越不够用，如何快速充电成为了他们急欲解决的问题。

现在广泛采用的锂电池大概在1970年代已经有了模型，直到1991年，经由索尼实现了真正的商业应用。当时恰逢数码产品的芯片变小，能耗降低，对电池的要求也随之下降。这种能存储更多电量的电池，让当时的人们以为它满足了未来技术发展的所有需求。

据美国宾夕法尼亚大学的化学博士陈远威介绍，锂电池的能量储存密度很高，但与之相比，功率密度较低，这就意味着电流量的投入和产出完全不对等―可以用不争气的海绵来形容锂电池，明明吸入了很多的水，可就是半天都挤不出来。

20多年后，这个在当时看来可能还并不是多大问题的缺陷，已渐渐不能适应动辄就装载着上百个App的智能手机时代了。与快速迭代的各种消费电子产品相比，电池技术方面一直缺少令人激动的进展。

“锂电池商用之后，只有1995年的聚合物锂离子电池的发明算是一次突破，但这次突破的主要意义是让电池的形状不再局限于圆柱体，并没有带来诸如电池容量等性能方面的提升。”陈远威对《第一财经周刊》说。

在刚刚结束的世界移动通信（MWC）2015大会上，三星的Galaxy S6和S6 Edge备受瞩目，这两款手机都具备快速充电的功能。根据官方给出的数据，在快速充电情境下，10分钟所充的电量可以支持约2小时的视频播放。

然而，与国内大多数厂商使用的快充技术一样，它们是依靠提高电流和电压实现快速充电，这种方式会损害电池本身。更加直接的说法，就是拿电池使用寿命换充电效率。

这看起来更像是技术瓶颈下的一种无奈选择。值得庆幸的是，业界和研究者已经开始了针对快速充电的重新反思。

你想过在5分钟内充满一部iPhone 5吗？位于英国的创业公司Zapgocharger向消费者的移动体验提出挑战。这家公司创立于2013年，随后获得英国政府的资助并改为现在的名字。在此之前，它叫伦敦石墨烯，从名字就能轻易判断出它所认为的电池未来发展方向。

“下一代的移动设备会需要更多的能量，电池需要找到一种新的方式来呼应这种变化，而石墨烯就是我们寻找到的方法。它使得充电能够在以秒计的时间内完成，而非数个小时。”Zapgocharger创始人Stephen Voller对《第一财经周刊》说。

石墨烯是目前已知最薄的纳米材料，厚度只有0.335纳米，相当于头发丝厚度的二十万分之一。除此之外，它的导电性能非常出色。英国曼彻斯特大学的物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年发现了它，并凭借此项发现于2010年获得诺贝尔物理学奖。

在Zapgocharger之前，人们已经对石墨烯这一材料在充电领域的应用前景讨论了很久。“以锂电池为例，充放电过程在电池内部体现为锂离子的转移，锂离子走得慢怎么办？3个思路，走短点、多走点和走快点。”陈远威说。

Zapgocharger的思路属于“多走点”的范畴。这款名为Zap&Go的石墨烯电池现在被做成了充电器，通过圆柱形结构使插头与电池容器集成在一起，只要有插座就能实现快速充电。

作为一种纳米技术材料，单位重量的石墨烯表面积比石墨大得多。将石墨烯制作成电池中的电极，能够更加充分地使电极与电解液接触，为锂离子的移动提供更多的传输通道。通过材料层面的创新，Zap&Go可以像静电那样很快地存储电力，而不是像目前依靠化学反应的电池那样缓慢。

“石墨烯的成本会更低，因为它由碳元素构成，而不是锂这样的稀缺资源。”Voller说。而根据西班牙Graphenano公司的数据，它们所研发的石墨烯聚合材料电池的成本相较锂电池下降了77%。

Graphenano是一家面向工业化应用的石墨烯公司，它与科尔瓦多大学合作研发的运用于电动汽车领域的电池，能够在8分钟的充电时间内为汽车提供最多可行驶1000公里的电力。

Zapgocharger已经正式向全球了商业产品，目前来自70个国家和地区的消费者正在使用它的这项技术，包括中国。

“我们的充电技术虽然从智能手机开始，但我们对将它推广到其他领域也非常感兴趣，例如无线电子设备、电动汽车以及太阳能面板。”Zapgocharger最近发明的便携式氢燃料电池还被伦敦科学博物馆收藏，这为电池的未来发展提供了一种新的思路。

快速充电的难点在于电池的充电时间与热稳定性之间的矛盾。充电时间越短，充电电流越大，对电池热稳定性的挑战越大。陈远威将这种矛盾比作抽积木游戏―总有那么几块看上去无关紧要，但只要一动，积木塔就会坍塌，而且整个过程不可逆。电池也是这样，离子转移得越快就越难以控制，会出现发热甚至爆炸的现象。

在实现快速充电目标的同时还要保证内部化学反应变化的稳定，这是每块电池最理想的表现。而这意味着研究者们要么像Zapgocharger一样开发出新型储能设备，要么改造电池内部结构，提高电量的转换效率。

不同于Zapgocharger更换电极材料的做法，来自日本的研究者希望能够从电解液上寻找突破口。

电解液是运送锂离子在正负两极间移动的液体，电解液中锂离子的浓度与充电速度相关。以往采用的电解液材料只能够承载约1摩尔/升的锂离子，人们认为这是在保证安全的前提下最优的浓度。但擅长技术革新的日本人决定挑战一下传统认知，在此之前，锂电池里的电解液材料组成已经超过20年没有改变了。

东京大学工学系教授山田淳夫与助教山田裕贵组成的研究小组，研究出一种不必使用传统溶媒的超高浓度电解液，能够使电解液中的锂离子浓度达到以往的4倍，充电时间缩减到原先的1/3以下。更为重要的是，这种高浓度的电解液在5伏以上的电压下依然能够保持稳定。

这种全新的电解液让锂电池的快速充电多了一种选择。它除了能应用在智能手机、电脑中，还能够在电动车等要求电池具有较高安全性能的设备中广泛应用。

“销量出乎意料的差。”在今年1月的底特律车展上，特斯拉创始人艾伦・马斯克直白地表达了他对中国业绩的失望。

特斯拉原本预估中国市场在2014年应该达到至少1万辆的销量目标，但实际上牌量只有2500辆左右。这也直接导致最近特斯拉中国出现了裁员1/3和管理层更迭的传闻。

在消费者对特斯拉的疑虑中，充电始终是一个绕不开的问题。要让一辆特斯拉Model S充满电，即使使用特斯拉超级充电站，充电时间也要1个小时，而用普通的家用充电则需要长达30小时―随着主流汽车厂商纷纷进入电动车市场，汽车用户也将越来越多地遭受“充电焦虑”的困扰。

花旗银行的一份报告显示，2014年全球可充式锂电池市场产值高达210亿美元，其中73.8%的比例来自消费类电子产品和电动汽车两大类。保守估计，以年均增长10%的速度发展，到2020年，这一市场的产值将达到350亿美元。随着人们越来越多地使用智能硬件，实际的锂电池市场将远远大于这个数字。

这也吸引着更多的资本流向电池这一曾经缺乏吸引力的领域。

比如同样专注于实现快速充电的以色列公司StoreDot，原本就是一家生产缩氨酸半导体的公司。由于能够合成蛋白质，StoreDot曾把缩氨酸应用于皮肤护理方面。现在，这种看起来似乎和电池搭不上边的物质也成为了突破电池瓶颈的关键。

在今年的MWC上，StoreDot也展示了这种由“护肤品”材料制作的电池。专门定制的三星Galaxy S5的电量迅速从15%充到了100%，整个过程只花费了不到两分钟的时间。下一步，公司希望在今年年底之前开发出一种能够在1分钟内充满电的1500mAh电池。

与大多数快速充电技术的研发者一样，StoreDot还未推出真正量产的产品。但公司预计将在2016年生产出基于最新技术的手机电池，它有可能真正意义上改变用户的使用体验。但在此之前，电池还需要经历无数次的安全试验以证明技术的真正可行。

在快速充电的情况下保证消费者的使用安全，走完从实验室到商业应用的“最后一公里”，StoreDot这样的公司还有很多的事要做。