為什么手機性能越來越強，電池性能卻沒有多大進步
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 09:52
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隨著手機的發(fā)展，性能是越來越強，處理器也達到了10納米的工藝制程，跑分更是夸張，但是電池性能卻始終沒有多大的改觀，基本還是一天一充，想要長續(xù)航還是需要一塊大電池才行。難道電池技術(shù)就沒有進步嗎？
其實電池技術(shù)是有進步的，只不過非常小，想要發(fā)生革命性改變并普及，目前來說是不可能的。
目前市面上的手機電池基本都是鋰電池，因為鋰是所有金屬中電位非常低的金屬，用鋰作負極產(chǎn)生的額定電壓較高，鋰離子電池能夠具有較高的能量密度，單位重量的情況下鋰電池的能量是鉛蓄電池的5倍以上，并且鋰元素不是重金屬，對環(huán)境造成的污染非常小，自身逃電率低、重量輕和使用壽命長，都是其它電池無法比擬的，目前也沒有找到比鋰電池更適合大面積使用的電池。
想要增加手機的續(xù)航能力，那就要想辦法增加鋰電池的能量密度，但能量密度和鋰元素本身有很大的關(guān)系，在鋰元素不變的基礎上，科研人員只有不斷更換電解液和正極材料才能勉強將電池的續(xù)航能力提高一點點，每年的進步只有3%左右。照理來說，每年進步3%，這十幾年應該也有很大進步了了吧，但實際上電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代更快，芯片里的晶體管都是納米級的，晶體管越做越小，芯片的處理能力一直在提高，芯片的運算能力一直在變強，那么耗電量就更大了。
所以看起來好像是電池技術(shù)沒有什么進步，但其實已經(jīng)進步不少了，只不過芯片進步更快，將電池技術(shù)的進步抹平了。
同時之前有報道石墨烯電池是未來非常有潛力的電池，它的能夠承受上至100攝氏度，下至零下50攝氏度的溫度環(huán)境，穩(wěn)定的充放電次數(shù)也比鋰電池要多，放置在火中也不會爆炸，續(xù)航能力比鋰電池更強，而且充電僅需要幾分鐘，非常的完美。
而現(xiàn)實情況是，石墨烯是沒辦法量產(chǎn)的，而且生產(chǎn)制造難度較大，成本也較高，暫時是無法普及的。
鋰硫電池由于具有高比能量、低成本和環(huán)境友好等特點而受到了廣泛關(guān)注。然而，在實際應用的道路上，仍有一些挑戰(zhàn)亟待解決，循環(huán)壽命短和硫負載量低是最尖銳的難題。這篇綜述重點回顧了在多尺度層次設計原則基礎上獲得高負載量鋰硫電池的進展。特別在界面反應、中尺度的裝配策略、新穎的結(jié)構(gòu)、正極和負極以及隔膜構(gòu)型的創(chuàng)新上作了重點討論。最終，文中獲得了多尺度層次結(jié)構(gòu)設計在高負載量鋰硫電池具有廣闊前景的結(jié)論。
來自清華大學的張強副教授（通訊作者）等人在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Review on High-Loading and High-Energy Lithium–Sulfur Batteries”的綜述，總結(jié)了鋰硫電池研究領域在高硫負載量、高能量密度方面的進展，重點介紹了正極的基礎電化學反應，硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程，顆粒設計和電極結(jié)構(gòu)；負極的金屬鋰和非金屬負極；界面隔膜的修飾以及這些影響因素的綜合配置。
S元素是Li-S電池中最常見的正極材料，阻礙它作為電化學活性元素的主要原因是較低的電導率（ 25 °C時為5 × 1030 S cm1 ），它會組織S和硫化鋰(Li2S)在室溫條件下的固-固轉(zhuǎn)化。為了解決這種緩慢的動力學反應，通過像聚硫化物等一系列可溶性中間體來充當媒介，在有機電解液中溶解并移動，使得活性材料可以從固態(tài)表面獲得電子，從溶液中獲得離子，以此來實現(xiàn)氧化還原反應。
這一部分介紹了高硫負載量正極材料的設計原理和方法，關(guān)于硫-聚硫化物-硫化鋰之間的反應，分成三個層次：1）界面工程；2）顆粒設計；3）電極結(jié)構(gòu)。
其中，文中對后兩部分進行了著重討論，尤其是在設計原理和S的同素異形體，如S2-S4長鏈以及共價結(jié)合硫方面，因為它們在高硫負載量上扮演著重要角色。
1.1 界面工程
在Li–S氧化還原反應體系中引入多硫化物，一方面可以有利于聚硫化物的溶解和擴散，使絕緣硫和Li2S之間的電化學活性變得更加活躍，另一方面，由于存在穿梭效應，聚硫化物會在隔膜、硫正極、鋰負極的氧化還原界面之間穿梭，導致容量衰減、效率降低以及自放電等損害。而且，硫的反復溶解和再沉積，會在硫和Li2S之間的固-固轉(zhuǎn)變過程中，導致劇烈的體積變化（≈70%）。因此，處理聚硫化物在電極、電解液表面的溶解、擴散和氧化還原反應是設計先進電極的核心難題，尤其是對于高硫負載量的Li-S電池，穿梭效應會變得更加嚴重。除此以外，為了滿足高電流密度，反應速率也需要同時增強。這些都要求研究者對反應機理進行更深入了解，以及對活性材料、導電的寄主材料和電解液界面之間更合理的表面工程設計。
鑒于電子和離子運輸?shù)南拗?，納米材料由于減少了載流子的特征擴散長度，降低了動力學上的障礙，同時又能在表面上提供大量的反應活性位點，因此在可充電電池中被作為首選材料。然而納米材料的應用存在以下幾點問題：
1）大量的S暴露在電解液中不受控制，會使得穿梭效應變得更嚴重；
2）S正極上更高的孔隙率，使得電解液被大量攝取，導致E/S的比值（電解液/硫）變得更高，使比能量降低；
3）隨機填充材料誘導產(chǎn)生宏觀各向異性，擾亂電子、離子的空間分布，產(chǎn)生全電極內(nèi)熱，導致不均勻的反應和傳輸行為，甚至是有效質(zhì)量/體積的鈍化；
4）組裝密度低，降低了體積能量密度。
雖然粘結(jié)劑在電極中僅占2-10%的重量，但是對于二次電池的循環(huán)壽命卻起著主要的影響。對于傳統(tǒng)的LIBs，粘結(jié)劑在電化學的離子嵌入/脫出或者是合金/去合金過程中起著膠合導電劑和固態(tài)活性材料的作用，并將得到的復合粒子粘結(jié)在集流體上。尤其是對于較厚的電極，粘結(jié)劑的作用將顯得更加重要。因此，一種對于活性材料和導電劑具有很強的粘接強度、低電阻以及合理的物理化學穩(wěn)定性的粘結(jié)劑將顯得十分必要。
