在圖3中，1985～1989年的5年間，Ni-Cd電池能量密度提升率達(dá)到了每年15～20％。但容量依然不足，進(jìn)入1990年后，電池性能還需要以相同的速度繼續(xù)提升。
但根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，二次電池技術(shù)“可達(dá)成的容量?jī)H為理論容量的1/5左右”，按照這個(gè)規(guī)律計(jì)算，在1990年，Ni-Cd電池技術(shù)已經(jīng)基本達(dá)到了極限。之后如果不開(kāi)發(fā)新電池，就無(wú)法滿足產(chǎn)品的需求。
而且，Ni-Cd電池還面臨著另一大阻礙——鎘的環(huán)境危害。各位讀者應(yīng)該聽(tīng)說(shuō)過(guò)鎘引發(fā)的“痛痛病”。這種疾病發(fā)病于流經(jīng)富山縣的神通川流域的居民，在國(guó)際上也相當(dāng)出名，英語(yǔ)甚至沿用日語(yǔ)叫法，稱其為itai-itai disease。鎘已經(jīng)成為了人盡皆知的有害物質(zhì)注1）。因此，電池企業(yè)被迫要盡快擺脫Ni-Cd電池。
注1）因其他鎘污染地區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)患者，也有看法認(rèn)為鎘并不是患病的唯一原因。
高性能二次電池期待論
既然Ni-Cd電池行不通，那就必須開(kāi)發(fā)新型二次電池。高能量密度電池的需求早已有之。
舉例來(lái)說(shuō)，大正末年，豐田佐吉曾向帝國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)懸賞。“向開(kāi)發(fā)出輸出功率為100馬力，能夠36小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，重量在60貫以下，體積在10立方尺以下的電池的日本人獎(jiǎng)勵(lì)100萬(wàn)日元”——按照當(dāng)時(shí)的金價(jià)換算，這筆獎(jiǎng)金大約相當(dāng)于現(xiàn)在的約20億日元，簡(jiǎn)直是一個(gè)天文數(shù)字。
舊度量衡的1馬力=761.2W，如果把上面提到的電池的性能換算為ISO的單位，單位重量、單位體積的能量密度分別為9850Wh/L以上，以及12180Wh/kg以上，功率密度分別為2820W/L以上，以及340W/kg以上。
在功率密度方面，LIB滿足了要求，問(wèn)題是能量密度。現(xiàn)在的LIB的能量密度也才600Wh/L、210Wh/kg左右，由此可見(jiàn)佐吉的要求有多么離譜。令人不禁猜測(cè)，是不是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)不了，所以才夸下了重獎(jiǎng)20億日元的海口。
暫且不論要求能否實(shí)現(xiàn)，從1980年代后半段開(kāi)始，追求高能量密度電池的呼聲愈發(fā)響亮。如上所述，因?yàn)轭A(yù)測(cè)到Ni-Cd電池終有一天將無(wú)法滿足攝像機(jī)的要求，電池企業(yè)很早就提前準(zhǔn)備，開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)新型二次電池。順應(yīng)這一潮流，Ni-MH電池（鎳氫電池）于1990年，LIB于1991年應(yīng)運(yùn)而生。
Ni-MH電池登場(chǎng)
Ni-MH電池的關(guān)注點(diǎn)鎖定在氫的理論容量密度*。氫作為電池負(fù)極時(shí)，理論容量密度為26316mAh/g，是一種優(yōu)秀的電極材料。與之相比，鋰（Li）為3861mAh/g，鎘為477mAh/g，可見(jiàn)氫的潛能巨大。
問(wèn)題最終歸結(jié)到了以怎樣的形態(tài)使用氫。比方說(shuō)，把10L氫氣（相當(dāng)于大約2170Ah）罐裝到高壓缸（200kg/cm2）中，體積會(huì)縮小到50mL，雖說(shuō)體積小，但200個(gè)大氣壓的高壓容器最好避免搬運(yùn)。還有方法能夠把10L氫氣壓縮到13mL。那就是-250℃的液態(tài)氫，但把這種形態(tài)運(yùn)用于電池也不實(shí)際。
*理論容量密度=每種物質(zhì)的發(fā)電容量。單位重量（體積）的活性物質(zhì)能夠產(chǎn)生的電量取決于物質(zhì)的原子量（化合物則為分子量）及其轉(zhuǎn)化為離子時(shí)的化學(xué)價(jià)。因此，物質(zhì)確定后，能夠?qū)崿F(xiàn)的發(fā)電量也將一并確定。這叫作理論容量。
與上面兩種形態(tài)相比，還有更方便的形態(tài)——貯氫合金。比如說(shuō)，LaNi5合金能夠與氫形成化合物L(fēng)aNi5H5.7，在體積為7.5mL的合金中吸貯10L氫氣。壓縮率能夠達(dá)到1/1300左右。不過(guò)，在這種形態(tài)下，單位重量的理論容量密度為366mAh/g，與氫本身的26316mAh/g相比，驟減到了1/70以下。這是因?yàn)長(zhǎng)aNi5H5.7的分子量非常大，大約為438。但貯氫合金還是為氫充當(dāng)電極活性物質(zhì)鋪平道路，使Ni-MH電池于1990年實(shí)現(xiàn)了商品化。
有望實(shí)現(xiàn)大容量的鋰負(fù)極
雖然實(shí)力趕不上氫，但使用鋰作為負(fù)極，單位重量、單位體積的理論容量密度也達(dá)到了3861mAh/g、2062mAh/m2。而且，標(biāo)準(zhǔn)單極電位（以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為準(zhǔn)）高達(dá)-3.04V，實(shí)現(xiàn)了非常高的絕對(duì)值。也就是說(shuō)，以鋰為負(fù)極的電池可以提高端子電壓，如果用電量（Wh）來(lái)表示能量密度，其數(shù)值將會(huì)增大。實(shí)際上，作為使用金屬鋰作為負(fù)極的電池，紐扣型鋰電池很早就投入了實(shí)用。這是正極使用二氧化錳（MnO2），負(fù)極使用鋰的一次電池，在存儲(chǔ)器備份電源等用途得到了廣泛運(yùn)用。
鋰電池的特點(diǎn)如下：
①電壓高達(dá)3.0V
②能量密度大
③自放電少
④工作溫度范圍大
不只是電池技術(shù)人員，大家應(yīng)該都希望直接發(fā)揮這些特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋰電池的二次電池化。
但好事多磨，在二次電池化的面前，聳立著巨大的難關(guān)。其中，安全性和達(dá)不到需要的充放電循環(huán)壽命兩個(gè)課題最難解決。至今仍未找到答案。
圖4：析出的鋰枝晶
在反復(fù)充放電的過(guò)程中，針狀的金屬鋰不斷生長(zhǎng)。
原因出在充電時(shí)生長(zhǎng)的鋰枝晶（樹(shù)枝狀結(jié)晶）。圖4展示了充電時(shí)析出的鋰的形狀，從圖中不難看出將其稱之為樹(shù)枝狀結(jié)晶或是針狀結(jié)晶的理由。結(jié)晶針會(huì)穿透隔膜，造成內(nèi)部短路，給安全性造成威脅，或是從電極上脫落，導(dǎo)致容量降低，也就是循環(huán)劣化。
那么，同樣使用金屬負(fù)極的Ni-Cd電池是不是不會(huì)發(fā)生這種問(wèn)題？鎘的放電生成物——CdO（氧化鎘）或Cd（OH）2（氫氧化鎘）不溶于電解液，會(huì)停留在原位，在電極上生成。因此充電后，會(huì)在原地重新轉(zhuǎn)化成鎘。
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