整整24年了为何电池技术没有革命性进步?

风清扬斈 3年前 (2016-08-05) 网络资料 1080 0

随着科技的发展,智能手机的性能越来越高,屏幕越来越大,分辨率越来越大,相机越来越先进,功能越来越先进。但你可能不知道,手机的电池技术已经整整24年没有大的进步了。

整整24年了 为何电池技术没有革命性进步?

不只是你手机中的手机,还有最新的电动汽车,没有了电池,它们都只是废铁一块。相比其他科技领域的突飞猛进,电池技术的发展遇到了什么难题?别着急,笔者将为大家一一道来。

1、锂电池诞生时间与原理

1991年,索尼推出首个商用锂电池,锂电池沿用至今并称为主流的电子设备电池技术。由于锂离子是最轻的碱金属元素,拥有着更小、更轻、能量密度更高的特性,所以迅速取代了镍电池。

锂电池构成物质中有磷酸铁、锰、石墨、钛酸盐等其他金属和非金属材料,但要靠着“锂离子”这个元素在正、负极中的嵌入与脱出,才可实现电能与化学能的相互转化,最终完成充放电过程。

从1991到2015年,电池技术并非没有进步,只是发展缓慢。目前锂离子电池在能量密度、高低温特性、倍率性能上,都远远高于铅酸、镍氢电池,但还是难以满足快速增长的电子产品、电动汽车等的需求。

2、增加电池容量的两种方法

想要提升锂电池续航能力的本质方法只有两种,一是增大电池体积以扩充电量,二是在有限的体积内增加密度来获得长能效。第一种方法现在用在特斯拉电池汽车上,拆掉特斯拉的外壳,底下是密密麻麻的7000多节18650电池,重量为700kg,接近车总重的三分之一。

第二种方法则是经常被用在了手机上,由于手机体积有限,不可能无限制往里面塞电池。不过经过研究人员的努力,手机电池的密度还是有了很大的提升,高能量比的负极材料的应用,已经让单位体积的手机电池容量提升了一倍。

3、目前手机电池面临的短板

随着智能手机的发展,更大更高分辨率屏幕、大量手机APP、更快的Soc等耗电大户,加剧了电池电量的消耗速度。如果要想彻底解决手机续航问题,既要增加电池体积又要增加电池密度,双管齐下才能效果显著。

但很无奈的是,目前手机正望着轻薄方向发展,想扩大电池体积不大可能,增加电池能量密度是唯一的办法,电池密度的提升就如同一块体积有限的海绵来吸水,从50%-90%的提升不难,但想要从90%-100%就不很容易了,因为已经快饱和了。

不只是用户关心,电池厂商们也都在花功夫研究,毕竟这是一个“人无我有”的大卖点。谁都知道续航是软肋,但无奈效果并不理想。所以说,锂电池提升效果不够明显不是我们毫无作为,而是对现有锂子电池性能的利用率已经接近能达到的极限了。

4、未来电池技术的发展方向

既然在锂电池技术遇到瓶颈,人们就想到了一些另辟蹊径的办法,间接的有效解决了用户对续航的需求,移动电源就是一个很好的例子。不过我们今天说的不是这个,而是快速充电。

快速充电技术就是近年涌现出来的一种解决途径。既然电池体积受限密度又不能再增加,那就缩短充电时间,通过这种逆向的方式来达到相对延长电量的结果,虽然讨巧但确实也有效。

另外从近几年的科研成果来看,一大批的新材料电池正在涌现,比如生物电池、燃料电池、石墨烯电池。虽然目前都处于试验阶段,但一旦商业化量产成功,那将是巨大的飞跃。(via:百略网,笔者酌情修改)

结语:

未来还会出现哪些更先进的电池技术,是需要依靠每个人集思广益的一个大课题。小伙伴们,如果你有任何的建议和看法,欢迎在评论区留言。

我们总是会很频繁的在媒体上看到电池技术领域里的最新研究成果。虽然这些新技术可能暂时还无法实现大规模应用,但在研究人员的不懈努力之下,技术突破和商业应用之间的距离正在逐渐缩小。本文将要介绍的就是三种极具发展前景的电池技术,它们不仅很快会出现在我们的生活当中,并有可能真正改变这个世界。

固态电池

革命:这三种电池技术可能改变世界

目前被大规模应用锂离子电池存在一个很大的缺点,那就是可能会毫无征兆地自燃。为了解决这个问题,研究者开发出了一种新型的固态电池。

固态电池拥有多种类型,但它们的共同之处是放弃了锂离子电池当中可燃性很高的液态电解质,转而使用了其他材料——通常是金属混合物——来在电极之间传导电子和产生电能。

由于内部不含液体,固态电池也就没有必要被加入绝缘层和其他安全措施,因此这种电池的体积和重量相比锂电池有所降低,同时适应能力更强。对于电动汽车厂商来说,这些都是颇具吸引力的优势。目前,美国能源部能源高级研究计划局(ARPA-E)就正在测试两个不同的固态电池项目,其一是锂离子固态电池,另一个则完全不使用锂。

Sakti3是固态电池领域里的领军者,这家公司的技术已经十分接近量产的程度。虽然这听上去令人期待,但由于保密工作十分到位,我们对于Sakti3的固态电池技术还知之甚少,但它们已经吸引到了来自知名企业的投资,比如通用汽车。QuantumScape也是一家固态电池技术公司,这家企业虽然更加默默无闻,但他们的技术据传和Sakti3较为类似。

不过对于固态电池来说,距离大规模商业应用还有待时日。这种电池技术所面临的最大挑战之一并不是化学材料本身,而是在工厂当中以相比传统电池更低廉的价格实现量产。

铝空气电池

除了易燃之外,锂这种最常见的电池材料还有其他弊端,比如开采成本昂贵,释放电子的效率低——这也是锂电池充放电速度较慢的原因。

那么有没有一种电池完全不含锂,还能在几秒之内完成对手机的充电呢?以色列公司Phinergy就有一种解决方案:铝空气电池。这种电池两个电极的材料分别是铝板和氧气——具体来讲,是氧气和水电解质。当氧气和铝板发生反应,电能便会产生。

铝空气电池已经存在了很长一段时间,但外界对它的兴趣在最近几年才开始增加。从理论上讲,这种电池的容量可达到锂电池的40倍,而Phinergy更是声称它可将电动汽车的续航里程延长至1000英里。

革命:这三种电池技术可能改变世界

但是,铝空气电池内部产生电能的化学反应也存在一个很大的弊端。在和氧气发生反应的过程当中,铝板会持续被分解,并最终会无法再充入电源,只能进行替换。在大规模应用上面,这会是个很大的问题。

对于铝空气电池的研究目前并未停止,有几家公司声称他们将会在未来几年里将其带入市场,其中就包括Phinergy。与此同时,日本的冨士色素公司最近声称他们在该技术的研究上已经取得了重大突破。这家公司表示,他们发现了一种使用绝缘材料保护铝板的方式,使其可以持续被充电。

革命:这三种电池技术可能改变世界

即便铝空气电池最终失败,许多研究者都认为铝会成为未来的电池材料。最近,斯坦福的一支研究团队就对外介绍了一种将铝和石墨烯作为电极材料的电池。这种电池(用在智能手机当中)不仅可在1分钟的时间内完成充电,且由于使用了一种安全系数很高的液态电解质,它即便被钻出一个洞也不会爆炸,并可继续工作。

微电池

体积是传统电池的另一个大问题。虽然电子设备的其他零部件都正在越变越小,但电池依然还十分笨重。除了手机和笔记本这种设备之外,体积问题同样困扰着医疗植入物,因为在需要电源供应的同时,它们的体积必须足够小,才能被植入人体。

目前,3D微电池是一个非常热门的研究方向。这种所谓的3D和2D有什么区别呢?你可以把2D电池看作是一块蛋糕:它们有两个电极,中间由电解质分隔。这种电池可以做到超级纤薄,但电源输出也会因此变得非常低。

革命:这三种电池技术可能改变世界

对比之下,3D电池更像是蛋糕卷。想要增加电极的表面区域,你可以在微观层将它们环环相扣。增大了表面积之后,电子也就可以更加轻松地从一个电极移动至另一个——这样做可以增加电池的功率密度,或是提高充放电的速率。

科学家们目前正在探索生产这种微型电池的不同方式。在2013年,哈佛大学的一支研究团队就使用3D打印机和锂“墨水”达到了将纳米大小阴极和阳极环环相扣所需的超高精度。

而在最近,伊利诺伊大学的研究团队又展示了他们是如何使用一种名为全息光刻的技术来制作3D电池的。这种技术会利用超高精度的光束从光刻胶当中制作出电极的3D结构。相比3D打印,全息光刻技术的成熟度更高,因此可能更加适合量产。

革命:这三种电池技术可能改变世界

但和所有电池一样,3D电池技术在功率密度、产生电能的速率、电能密度和总体容量之间会产生权衡。想要在这些方面都达到很高的水平并不是件易事,而这正是伊利诺伊大学的研发团队所要做的。如果成功实现商业化,那这种电池技术将会产生巨大的影响力。

近日,一条新闻给电动车行业打了一针鸡血,各大新闻媒体也因此兴奋得嗷嗷叫:中科院上海硅酸盐研究所发布消息称,该所联合北京大学、美国宾夕法尼亚大学展开持续攻关,已研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯,该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”,充电只需7秒钟,即可续航35公里,相关研究成果已于12月18日发表在世界顶级期刊《科学》上。

那么,这个新玩意是否能解决电动车续航力差和充电慢的瓶颈问题?我看未必。

什么是石墨烯电池?

石墨烯电池其实并不是真正的电池,而是一种新材料超级电容。在此之前,超级电容已经广泛应用于电动车、混动汽车和大功率输出设备等领域,作为一种电化学储能装置,其性能介于传统电容和电池之间,具有功率密度高,循环寿命长以及安全可靠等特点,但是能量密度却是其最大的软肋。

石墨烯电池能带来电动汽车革  命?扯淡!

为了解决这个问题,科研工作者只能在新材料上下功夫。经过多年研究,最后发现氮掺杂有序介孔石墨烯的性能表现最佳,不仅能实现高能量密度和高功率密度,而且还具有无毒环保,体积轻重量小,成本低廉易于规模生产,性能安全可靠,不易燃也不易爆等等优势,实为超级电容之最佳材料,可谓是居家必备,老少咸宜……

正因如此,氮掺杂有序介孔石墨烯超级电容无论是性能还是成本,都比目前实际应用的所有种类的电池更具优势,且在快速充放电方面更是将锂电池甩出几条街,完全可以替代掉原先的电动车电池组成为新的储能设备。所以,该超级电容被冠以“石墨烯电池”的名头见诸各大媒体。

然而就本质来说,石墨烯电池并不是真正的电池,如果说超级电容相当于电脑中的内存,电池相当于电脑中的机械硬盘,而石墨烯电池其实就相当于固态硬盘——尽管都有“储存”上的功能体现以及储存容量的限定,但就原理而言,固态硬盘和机械硬盘其实并不是一回事,固态硬盘的工作原理更接近于内存。

为何石墨烯不能带来电动车革命?

以特斯拉ModelS为例,满电理论续航里程480公里上下,电池容量为85千瓦时,可用快速充电方式在一小时内充满电;而在快速充电条件下,充电桩的直流输出高达125千瓦时,换句话说就是每小时耗电125度。好了明确了这一点之后,咱们再继续往下掰扯小学水平的数学题。

如果将特斯拉ModelS的锂电池全部更换为等容量的石墨烯电池,以“充电7秒钟续航35公里”来计算,480公里的续航力只需充电96秒,这个时间不比普通汽车加油耗时慢——其实算上在加油站排队和交费等时间,车主们会发现,自己进加油站加一次油的耗时不止96秒。

1小时(3600秒)将特斯拉ModelS充满电,充电桩输出是125千瓦时;97秒将特斯拉ModelS充满电,充电桩的输出就是3600÷96×125=4687.5千瓦时,即1小时耗电4687.5度——强调一下,这还只是理论数值!

85千瓦时的电池容量在1小时快充模式下耗电125千瓦时,损耗就高达47%(即125/85-100%=47%),而在96秒内充电85千瓦时,其损耗绝对远不止这么点,这对整个充电系统的散热要求达到了一个极其变态的高度!

好,就算中国有能力建造散热能力极其变态的充电系统,咱们接着往下算:保守而言,高速公路上的服务区加油站都可以同时容纳6辆车加油,以此为例,每个服务区都建立6个充电站,其负载将高达4687.5×6=28125千瓦时,这是一个什么概念呢?

这么说吧,三峡电站总共有32台70万千瓦的水轮发电机,总装机容量高达22,400,000千瓦,就算全负荷运转,也只能承担796个服务区的充电站用电量——如果考虑到实际充电损耗和输变电损耗,这个数值将至少下降三分之一,约为530。

我查了百度了一下关键字“高速公路服务区”,百度百科的结果是,截至2011年,全国高速公路服务区就超过1500个,现在相信远不止这个数!这就意味着,一个三峡电站,只能负载全国三分之一的高速公路服务区充电站,若遇上冬季枯水期,这个负载就只能转嫁给火电厂,如此一来,中国雾霾会不会加剧?大家自己想。

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