固態(tài)電池技術(shù)突破 延長電池壽命/提升充電能力
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-21 00:27
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人們對電池的要求并不高：在需要的時間內(nèi)盡可能長時間地提供能量，充電速度快，不會突然起火，但是2016年的一系列手機電池起火事件動搖了消費者對鋰離子電池的信心。自上世紀80年代推出以來，鋰離子電池曾幫助引領(lǐng)現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，但是一直受到安全問題的困擾。隨著人們對電動汽車興趣越來越大，研究人員和業(yè)內(nèi)人士都在尋找改進充電電池的技術(shù)，此類技術(shù)需要能夠安全可靠地為汽車、自動駕駛汽車、機器人和其他下一代設(shè)備提供動力。
據(jù)外媒報道，美國康奈爾大學(xué)(Cornell University)的一項新研究改進了固態(tài)電池的設(shè)計。固態(tài)電池本質(zhì)上比現(xiàn)有的鋰離子電池更安全，能量密度也更高，鋰離子電池依賴易燃液體電解質(zhì)將存儲在分子鍵中的化學(xué)能量快速轉(zhuǎn)移至電能中?？的螤柎髮W(xué)研究人員將液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)電池內(nèi)部的固體聚合物，利用了液體和固體的特性以克服當前影響電池設(shè)計的關(guān)鍵限制。
該研究的博士后研究員兼首席作者Qing Zhao表示：“可以想象一下一杯裝滿冰塊的玻璃杯，有些冰塊會接觸到玻璃杯，但是也有縫隙。但是如果將玻璃杯裝滿水并且冰凍起來，界面就會被完全覆蓋，玻璃杯內(nèi)的冰塊與水之間就可以建立起牢固的聯(lián)系。在電池中利用同樣的概念就可以促進離子在電池電極固體表面向電解質(zhì)高速率轉(zhuǎn)移，而不需要可燃液體。”
該方案的關(guān)鍵在于引入特殊分子，在不損害電池其他功能的情況下，在電化學(xué)電池內(nèi)引發(fā)聚合。如果電解質(zhì)是環(huán)醚，可設(shè)計引發(fā)劑，讓其撕裂環(huán)，從而產(chǎn)生結(jié)合在一起的反應(yīng)性單體鏈，以產(chǎn)生與醚的化學(xué)性質(zhì)基本相同的長鏈狀分子。此類堅固的聚合物在金屬界面處保持了緊密連接，猶如玻璃杯中的冰塊。
固態(tài)電解質(zhì)除了有助于提高電池的安全性外，還有助于讓下一代電池能夠利用鋰和鋁等金屬作為陽極，與當今最先進電池技術(shù)相比，可實現(xiàn)更大的能量存儲。在此種情況下，固態(tài)電解質(zhì)可以防止金屬形成樹突，從而導(dǎo)致電池短路、過熱和故障。盡管固態(tài)電池優(yōu)勢明顯，但是大規(guī)模量產(chǎn)遭受了阻礙。制造成本高，以前的設(shè)計導(dǎo)致的界面性能差，都造成了重大的技術(shù)障礙，此外，固態(tài)系統(tǒng)還能夠穩(wěn)定電池?zé)嶙兓?，從而免去電池冷卻的必要。
鋰離子電池的衰退機理有很多，大體上可以分為濫用衰退與正常衰退兩種。濫用衰退是可以避免的，包括過充、過放、低溫、大功率充放電、等等。對于手機的使用場景來說：
過充：電子設(shè)備有電路保護，一般不會發(fā)生這種情況，因此用戶也不必去擔心。
過放：這是一個模糊的概念。大體上而言，盡量不要在電量 20% 以下使用手機，特別不要在 5% 電量以下使用手機，會對電池造成不可逆損傷。
低溫：主要是指低溫充電危害很大。電子設(shè)備一般也都有保護了（iPad 在低溫下是充不進去電的），因此，用戶也不必去擔心。
大功率充放電：電子設(shè)備的放電，一般是比較溫和的。就是一直玩游戲，手機也能撐個三四個小時，這最多就是 0.2C 放電，非常溫和，用戶也不必擔心。充電呢，也是由充電器和電子設(shè)備的電路保護的，用戶也不必擔心。
正常衰退是不能避免的，主要影響因素是放電深度的積分與靜置時的電量狀態(tài)。
放電深度積分：也可以稱為放電循環(huán)次數(shù)，比如從 100% 放到 50%，這就算是 0.5 個循環(huán)。意思就是說，平時用得越多，那么衰退越快。但手機買來就是用的嘛，能用就用。
靜置時的電量狀態(tài)：這一點在學(xué)術(shù)上有爭議。主流觀點是，電量越高則衰退越快。意思就是，100% 的電池放一個月，與 50% 的電池放一個月，前者的容量衰退更大一些。
因此，推薦的使用習(xí)慣是什么呢？ 如下：
首先，避免濫用情況。除去電路保護的部分，用戶需要注意的是，盡量不要把手機電量用到很低——隨身帶充電寶吧。
其次，降低正常使用下的衰退。當然，該用的時候還是用，不能為了保護電池就不玩手機了吧？ 這里的建議是：沒事兒就把充電線插到手機上充電。這樣的話，手機會從外部取電，相當于減少了放電循環(huán)次數(shù)。
最后，“最優(yōu)”的使用習(xí)慣是：將手機電量維持在 30%-50% 的低電量狀態(tài)，直到出門前 2 個小時，再充滿到 100%。這樣就降低了“高電量狀態(tài)下的靜置時間”。——當然，這個策略對于手機等消費級電子設(shè)備是不適用的，付出與成本不成比例。但對于電動汽車來說，電池很大很貴，就值得開發(fā)出這樣的智能充電器。事實上，很多機構(gòu)正在做。
Q & A根據(jù)評論總結(jié)出了各位朋友的 3 個質(zhì)疑：
1. 蘋果店 or 書上 or 專家說電池要每隔一段時間放光再充滿，才能夠保持壽命的?。?？
答： 蘋果店 or 書上 or 專家應(yīng)該說的是上一代充電電池，鎳氫電池，有記憶效應(yīng)。而鋰離子電池，無論是在理論上還是實踐中，至今從未觀測到有任何記憶效應(yīng)。因此，蘋果店 or 書上 or 專家的這種說明，是沒有依據(jù)的。
2. 插著充電線玩手機，那不是一邊充電、一邊放電，對電池的損耗更大嗎？
答： 提出這個問題的朋友，是把電池想像成了“水庫”模型。水庫有進口、有出口，有可能進口在進水，而出口在出水。這種模型下，就有可能水面高度不變（電量不變），而實際上流量很大的情況。而電池壽命衰減是有關(guān)的，流量大不就是衰減快嗎？ 這種想法的問題在于，電池不是水庫，它沒有兩個口，只有一個口：這個口中，要么在充電，要么在放電，不會出現(xiàn)充放電同時發(fā)生的情況。
3. 插著充電線玩手機，會爆炸嗎？
答： 應(yīng)該是存在插電玩手機爆炸的案例，但我不能辨別哪些是真新聞、哪些是假新聞。譬如網(wǎng)易手機頻道，如果蘋果不續(xù)費就會出現(xiàn)蘋果手機爆炸，三星不續(xù)費就會出現(xiàn)三星手機爆炸的新聞……
試著分析了一下，邊充電邊玩手機，會使充電發(fā)熱（源自于電池內(nèi)阻，電能來自于充電線） 與用電發(fā)熱（源自于 CPU 與屏幕，電能來自于充電線）的兩種發(fā)熱效應(yīng)同時發(fā)生，溫度會更高，從而有可能引發(fā)爆炸的風(fēng)險（如果電池質(zhì)量不合格）。
說到底，爆炸是電池安全問題，不是電池壽命問題，有些跑題了。
