但是，盡管有成千上萬的論文發表，數十億美元的資金投入，數十家創業公司成立并提供資金支持，自1991年以來，我們大部分消費電子產品的基本化學功能幾乎沒有改變。在成本、性能和消費性電子產品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhone X的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機一樣。

因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開始專注于研究新的電池化學反應。他對尋找石墨陽極的替代品尤其感興趣，他認為這是制造更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的使用已經有六七年了，它現在基本上是用在電池的熱力學容量上。”2011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亞理工學院材料學教授格萊布·尤辛(Gleb Yushin)共同創立了Sila Nanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區辦公室有開放式布局，以雅達利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃氣管道的工業實驗室。

在調查了所有可能的解決方案之后，三人從理論上確定硅是最有前途的材料。他們只需要讓技術發揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失敗告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個硅原子可以附著4個鋰離子，這意味著與重量相近的石墨陽極相比，一個硅陽極可以儲存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研究院對硅陽極材料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風投機構支持的初創企業也是如此。

當鋰離子在電池充電時附著在陽極上時，它會輕微膨脹，然后在使用時再次收縮。在重復的充電循環中，這種膨脹和收縮破壞了固態電解質界面層，后者是一種保護物質，在陽極表面形成斑塊。這種損害會產生副作用，消耗電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”

隨著時間的推移，這是智能手機開始快速損失儲能的主要原因。石墨陽極膨脹和收縮約7%，因此在性能開始急劇下滑之前，它可以完成大約1000個充放周期。這相當于一部智能手機持續兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們在充電時膨脹的幅度要大得多(高達400%)。大多數硅陽極經過幾次充電循環后會發生斷裂。在實驗室的5年多時間里，Sila Nanotechnologies創造了一種納米復合材料來解決膨脹問題。

伯迪切夫斯基解釋說，如果石墨陽極是個“公寓區”，那么所有的“房間”都是一樣大小，而且都緊緊地擠在一起。經過3萬次迭代(不同的柱子和房間組合)，他們形成了陽極，那里每層都有足夠的空間讓硅原子在獲取鋰時膨脹。他說：“我們把多余的空間困在建筑內部。”這就解決了膨脹問題，同時保持陽極的外部尺寸和形狀穩定。

伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies將向制造商提供的第一代材料，將使能源密度提高20%，并最終提高40%，同時也能提高安全性。他說：“硅能讓你遠離邊緣，你可以空出1%或2%的空間，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接轉換成現有的設計。隨著亞洲的電池生產商爭相增加工廠產能，為電動汽車時代到來做準備，伯迪切夫斯基認為，任何與當前生產工藝不兼容的產品都可能被排除在外。他說：“如果現在還不存在可以替代鋰離子的技術，到上市的時候，它將迎來無數的用戶群。”

當電池充滿電并放電時，鋰離子在兩個電極之間舞動，有時它們很難返回。相反，尤其是當電池充電太快時，它們會在電極的外面聚集，逐漸形成樹枝狀的分支，就像洞穴頂部的鐘乳石。最終，這些看起來像窗玻璃上結了霜的樹突，可以通過電解質一路延伸，穿透隔膜，并通過觸碰對面的電極產生短路。

隨著各層之間的距離越來越近，這種風險就會增加，出錯的可能性也會隨之增加。正如三星去年發現的那樣，出錯可能會造成損害，代價相當高昂。微小的制造缺陷曾導致Galaxy Note 7手機電池內部短路。在某些設備上，陽極和陰極最終彼此接觸，這起災難性的召回事件估計導致三星損失了34億歐元。Ionic Materials公司的齊默爾曼解釋道：“當這種情況發生時，電池會變得非常熱，液體電解質會發生熱逃逸，最終引發火災和爆炸。”

因為這種情況非常危險，實際上鋰離子電池中沒有那么多鋰，僅為百分之二左右。但如果有一種方法可以安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子里釋放出來，就像惠廷漢姆在20世紀70年代嘗試的那樣，可能會帶來增加十倍的能量密度。這被稱為電池研究的“圣杯”，齊默爾曼可能發現了它。

他認為電解質實際上是增加電池能量密度的最大障礙。人們已經逐漸不再使用浸在液體電解質中的物質，而是使用凝膠和聚合物，但它們通常仍然是易燃的，而且對阻止快速的熱逃逸過程毫無幫助。齊默爾曼自己承認，他不是一個“電池控”。他主修的專業是材料科學，尤其是聚合物，他在貝爾實驗室和塔夫茨大學任教了14年，之后才開始創業。

21世紀初，齊默爾曼開始對可充電電池產生興趣。當時，有些人在努力從液態電解質轉向固態電解質。資深儲能科學家唐納德·海格特(Donald Highgate)解釋說：“原則上，因為固態電解質電池更安全，你可以讓它更努力工作。同樣的應用程序，你可以使用更小的電池。”但它們大多是陶瓷或玻璃制品，因此很脆，很難大規模生產。”

塑料已經在電池中被用于隔離器，即位于電解質中間以阻止電極接觸的部分。齊默爾曼認為，如果他能找到合適的材料，他就可以拋棄液體電解質和分離器，取而代之的是一層固體塑料，這層塑料是可以防火的，而且還可以防止在兩層之間生長樹突。通過Ionic Materials，齊默爾曼用一種全新的傳導機制創造了一種聚合物，它模仿了電子穿過金屬的方式。這是第一個能在室溫下導電鋰離子的固態聚合物。材料是靈活的，低成本的，經得起各種各樣的考驗。

在一次實驗中，他們把原材料送到了彈道學實驗室，那里通常被用來測試防彈背心，并用9mm的子彈來射擊它。兩根電線將電池(扁平的銀袋子)連接到三星平板電腦上，后者的電源被小心移除。子彈擊中后，電池就像火山一樣炸開了。在慢鏡頭里，可以看到塑料和金屬從火山口噴出，就像熔巖。但電池內部沒有爆發，沒有爆炸或起火。每次碰撞，設備都保持開啟狀態。齊默爾曼說:“我們一直認為聚合物會使它更安全，我們從來沒有指望電池還能繼續工作。”

據齊默爾曼說，這種聚合物將推動鋰金屬的發展，并加速采用新的電池化學物質，如鋰-硫或鋰-空氣。但長遠的未來可能不只是鋰。曼徹斯特大學的研究員劉旭清表示:“這種改進不能與設備性能的改進速度相匹配，我們需要一場革命。”

在牛津郡龐大的哈韋爾科學與創新園區，也就是約翰·古德諾夫(John Goodenough)簽署協議宣布放棄他在鋰離子領域取得重大突破專利的地方，史蒂芬·沃勒(Stephen Voller)舉著一塊與飲料杯大小和形狀相似的碳纖維。沃勒是一位和藹可親的曼城球迷，年近50歲。在加盟首個瀏覽器品牌網景(Netscape)公司之前，他曾在IBM擔任軟件工程師。在公司被AOL收購后，沃勒對筆記本電腦電池續航時間的限制越來越感到失望，于是決定采取些措施。

沃勒的第一個想法是使用氫燃料電池來延長電池巡航時間，但它的波動性證明是便攜式電子產品無法克服的挑戰。他說:“讓氫氣通過機場安檢是相當困難的。”然后，通過牛津大學的熟人，沃勒聽說了一些令人興奮的研究，包括性能更像超級電容器的極快充電材料。當電池以化學方式儲存能量時，超級電容器卻可將其置于電場中，就像氣球上的靜電收集一樣。

超級電容器的問題在于，它們不能像電池一樣儲存那么多的能量，而且電量會很快泄露出去。如果你不經常使用，鋰離子電池的放電可持續2周，而超級電容器只能保持數小時。許多業內人士認為，將超級電容器與電池結合起來，可能對智能手機和其他耗電的消費科技產品有利。海格特表示，超級電容器可以被用來制造一、兩分鐘內就能充滿電的混合手機，而且還可以作為備用的鋰離子電池。他說:“如果你可以非常快速的充電，你可以把它放在感應圈上，在你攪拌咖啡的時候充電。”

沃勒認為，他可以做得更好。2013年，他創立了ZapGo，該公司正在開發碳基電池，其充電速度與超級電容器一樣快，但充電時間與鋰離子電池差不多。到2017年11月，該公司的員工已增至22人，分別在哈韋爾的盧瑟福德阿普爾頓實驗室和北卡羅來納州夏洛特的辦公室工作。它的第一個消費電池將被用在今年年底推出的第三方產品上，包括用于汽車的助推起動裝置，以及充電時間從8小時縮短至5分鐘的電動滑板車。

沃勒手里拿著的那塊碳纖維是一塊電池，使用了固態電解質，不會著火。兩個電極是由薄層鋁制成的，上面覆蓋著納米結構的碳，用來增加表面積。沃勒說：“你希望它看起來像喜馬拉雅山。”盡管在顯微鏡下，它更像是城市天際線的輪廓。ZapGo技術的關鍵在于提高效率和減少漏電量，主要是通過確保電解液無縫地與上面的碳天際線相吻合，就像尼龍搭扣一樣。

碳基電池的最大優勢是長壽。因為ZapGo的電池存儲更像氣球，而不是傳統的電池。正如沃勒所說“沒有化學反應”，他聲稱新電池可以持續10萬個放電周期，這是鋰離子電池的100倍。即使每天給手機充電，也可以使用30年。目前的第三代ZapGo電池還沒有強大到可以運行智能手機的地步，但由于使用的材料沒有提供增加電壓的障礙，沃勒預計這種電池將在2022年，也就是“iPhone 15前后”投入應用。

這需要改變充電基礎設施。許多爆炸事件被歸咎于廉價的第三方充電器，而這些充電器沒有阻止爆炸所需的電子設備。對于ZapGo的電池，或者任何基于超級電容的系統，你需要一個充電器來做相反的事情——從電網中吸取和儲存能量，然后在短時間內把它送到你的手機上。在實驗室里，沃勒的團隊已經制造出了筆記本電腦大小的電源，但他們正在努力使它變得更小、更高效。

包括戴森設計工程學院的薩姆·庫珀(Sam Cooper)在內的許多人質疑，這些公司是否真的希望在產品中植入能持續使用如此之久的附件。庫珀說：“手機公司有個明確的利潤激勵，就是要在下次發布時讓老款設備及時停產。為此，研發更好電池的競賽可能根本不存在。”沃勒承認，ZapGo持有的大約30項專利中，有一種方法可人為地降低電池的使用壽命，阻止它們持續使用30年。他說：“我們不會這么做，但如果客戶愿意，我們有能力提供給他們。”

與現有技術相比，碳基儲能技術還有另一個主要優勢。它實際上可以作為手機外部結構使用。沃勒并沒有設計出適合當前手機設計的電池，而是在為柔性屏幕和可折疊設備的未來做準備。在5G網絡下，我們所有的數據都來自云端，電池續航時間變得更加重要。

沃勒沿著他辦公室狹窄的走廊走著，走到午后的陽光下，穿過Diamond Light Source的陰影，這是個巨大的環形建筑，看起來像是外星飛船降落在牛津郡的鄉村。在內部，研究人員正在利用加速光束在微觀尺度上對潛在的電池材料進行研究，探究為何鋰-硫電池會失敗，以及尋找替代材料以獲得陽極和陰極，這些問題已經困擾了這個領域近30年。

沃勒在空中揮舞著他的智能手機，哀嘆著鋰離子電池的缺陷，正是這些缺陷促使他和其他數百人加入了這場高風險的競賽，以期重新發明這些絕好卻又存在缺陷的電池。他說:“我們都必須制定策略來應對這種情況，不管是背夾式電池，還是帶著兩部手機，這都太瘋狂了，事情不應該是那樣的。”