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亦談鋰電池

發布:河南乾坤太陽能照明有限公司 瀏覽:688次

  10年前,沒有人會因為手機電池續航短而抱怨。的確,在以諾基亞、摩托羅拉主導的功能機時代,手機電池容量1000mAh以下,充一次電至少能用3天以上。現在,手機電池動輒3000mAh以上,卻一天一充都不夠。這個痛點的存在帶火了充電寶這個下游行業。

  這是因為在這10年間,智能手機功能逐漸增多,硬件配置愈來愈高,用戶不僅要用手機打電話發短信,還要聽音樂、看視頻、刷微博。與此同時,手機外形向大屏幕趨勢發展。5.0、5.5英寸的屏幕比比皆是,這是手機中第一耗電大戶。再加上智能手機的數據處理、高清視頻、WiFi、GPS等眾多功能,想省電很難。這使得手機在單位時間內的耗電量加大。而且各種應用層出不窮,也會在不同程度上增加耗電量。

  在外觀上,手機越來越向輕和薄的趨勢發展,此前有廠商開發出來了電池容量6000mah,續航出色的手機,厚度做到11.9mm,依然被認為過厚,而在功能機時代厚度15mm的手機是常態。各大廠商也盡力壓縮和優化手機空間,以適應這一潮流。這就使得手機的各種零件都愈發微型化,電池也不例外。

  應該說,手機鋰電池自1992年發展至今,相比初期必然是更加完善的,但這個速度顯然沒有跟上手機屏幕、分辨率、處理器的提升速度。目前,大部分的電池壽命提升來自于電池分布設計以及硬件功耗降低和軟件優化鎑。為了解決手機電池的短板,上游的元器件廠商把可以用的招數都用上了,在硬件方面,除了增加電池的容量外,還加入了一系列降低手機功耗的新技術,比如三星研發的SuperAMOLED屏幕,盡管屏幕偏色和顆粒感的問題嚴重,但卻非常省電。

  電池誕生300余年其原理依然摸不透

  目前,我們用的絕大部分電池都來自于一個古老的模型———公元1800年的原電池。最近300年來,人們不斷尋找正極和負極材料,提升能量密度,無論是干電池、鎳鎘電池,還是流行的鋰電池,都是材料的升級。盡管電池工業已經發展多年,但人們對電池的原理依然陌生。

  電池容量提升最大的難題來自能量密度:在特定體積和重量的存儲單元內可以存儲多少能源。1991年鋰電池首次推出,它已經用在手機、汽車和其它可充電設備上,每千克大約可以存儲電能150和250瓦時(Wh/kg)。

  就一般手機廠商的電池而言,能量密度大都在560-580Wh/L左右,更好一點的電池能量密度也只有620-630Wh/L。那電池的能量密度為何不能大幅度提升呢?原因在于,當研發人員試圖改變電池的某一部分時,是無法預測它所帶來的影響的。

  因此,和手機其他硬件相比,電池系統根本不適用摩爾定律,現在用的電池和上世紀1990年代的差得并不太多。如果你打開iPhone就會發現,所有主板電路越來越小,電池卻占了一大半。這種尷尬估計還要持續很多年。

  鋰電改進空間仍很大

  不過也不要盲目悲觀,在這二十年中,鋰電池技術并不是完全停滯不前,經過多年的技術拓展,鋰電池技術已經有了長足的進步。過去10年,手機電池的能量密度已經提升了一倍。過去碩大的電池只有1200mah,而如今3000mah的電池也大不了多少。在充電效率、電池容量、發熱冷卻等方面,傳統的鋰電池也已經表現得越來越好。

  2005年,采用聚合物電解質的鋰離子電池開始逐步取代之前的液態鋰離子電池,鋰離子電池迎來能量密度上的一次大提升。但到了2008年前后,鋰離子電池能量密度的提升速度開始減緩,隨著電池安全問題引起廠家的重視,電池生產商開始不斷提高電池的安全性指標,將鋰離子電池的外殼不斷加厚,這使得在隨后三四年間,手機電池的能量密度一直保持平穩。到2013年以后,電池生產商通過不斷改善工藝,提高了電池材料的壓實密度,鋰離子電池的能量密度又有一次提升。

  沒有重大理論突破電池難“革命”

  那么,電池技術能夠在短時間內發生革命性的變化嗎?從理論背景來看,支持電池發展的分子物理和化學分支,二戰以后沒有重大理論突破。經歷了鉛酸到鎳鎘、從鎳鎘到鎳氫、從鎳氫到現在的鋰離子的可充放電池發展歷程,這期間電池結構沒有什么變化,可預見的未來暫時還不會有。

  盡管研究新一代電池技術的科學家經常會放棄鋰離子電池,聲稱現行的鋰離子電池技術成本太高、易燃,而且在滿足未來清潔能源需求以及綠色出行方面短板太明顯。但美國阿貢國家實驗室進行的一個為期五年的電池研發項目已經過去了四年時間,負責研發的工程師卻不得不承認:在短期內,電池市場上鋰離子的地位還難以被撼動。

  電池的發展競賽還在繼續:電動汽車制造商正在尋找更便宜、更輕、更強大而且更持久的電池。電子設備制造商也在尋找更可靠、使用壽命更長而且充電更快的電池。而可穿戴和醫療植入式設備的廠商則更傾向于更小巧、更長續航的電池技術。而可再生能源企業也在尋找能夠穩定充放電成千上萬次的電池技術。

  石墨烯、氫燃料誰是電池的未來

  在已有的新電池技術中間,石墨烯電池最被看好。石墨烯是已知的世界上最薄、最堅硬的納米材料,具有電阻率極低,電子遷移速度極快的特點。石墨烯電池,就是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性開發出的一種新型電池。

  石墨烯電池的充電速度也要比鋰電池快很多,可以有效解決充電時間長的問題。它的壽命也很長,可以達到鋰電池的2倍。

  也有企業在動力電池領域另辟蹊徑。日本豐田汽車公司研制出的新型汽車MIRAI在測試中跑得遠、充得快,它配備了新型燃料電池。這種電池以氫為燃料,加滿一罐氫只需3分鐘,續航里程可達650公里。由于氫的制備和加氫站建設難度大、成本高等問題,這一技術尚未普及。

  有朝一日,電池技術一旦突破,所有的手持數碼設備、消費類電子產品、電動汽車以及其他工業產品,都會有一次質的飛躍。比如,未來的家庭供電都可以通過電池來實現;也許下一代的電池技術就能實現大規模地儲存可再生的風能和太陽能,這將對現有電網運行與控制的格局帶來顛覆性的變革。除此之外,未來的私家交通工具甚至個人出行工具、下一代可穿戴電子產品以及未來的微型電網大規模普及,都顯著地依賴更先進更低成本的電池技術。因此,不論挫折有多大,電池技術都迫切需要一場偉大的變革。

  但是,先進電池技術變革帶來的挑戰實在是太大了。可以預見,電池技術的大突破必將是一場艱苦持久的馬拉松。


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