鋰離子電池研發(fā)的主要方向是什么?現(xiàn)有哪些技術(shù)問題需要解決?
鋰電池目前的主要市場在于便攜式終端設(shè)備的應(yīng)用,譬如手機,筆記本電腦,這使得高容量一度成為鋰電池開發(fā)的主攻方向,但在電動汽車和大型儲電設(shè)備充分發(fā)展的背景下,鋰離子電池研發(fā)的主要方向也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。
傳統(tǒng)的移動終端市場,例如手機和筆記本電腦之所以要求電池高容量,是因為它們往往需要充電一次即可使用很長時間,使用起來更加方便。風(fēng)靡全球的蘋果iphone和ipad等就曾一度因一次充電后使用時間不長而遭到消費者批評,因此,在新款的the new ipad發(fā)布時,原有的6500mAh容量鋰電池就改為使用14000mAh大容量鋰電池。這件事情可以看作便攜式終端用充電電池的研發(fā)以高容量為方向的證明,為此,甚至不惜犧牲壽命也要實現(xiàn)高容量,而對壽命的要求一般就是2年左右即可。
但是,在電動汽車時代到來后,鋰離子電池研發(fā)的方向就就不再只是一味高容量的發(fā)展方向,現(xiàn)在的電動汽車主要包括混合動力車、插電式混合動力車和純電動汽車三種類型。對于混合動力車而言,在加速和減速時需要大電力交換,因此,高功率型的電池較為理想。反之,純電動汽車因為只靠動力鋰電池提供電能,因此更需要大容量的支持,插電式混合動力車則介于二者之間。由此可以得知:在高功率鋰電池要求上,混合動力車>插電式混合動力車>純電動汽車;而在大容量鋰電池要求上恰好相反,純電動汽車>插電式混合動力車>混合動力車。當(dāng)然,這是在不同電動汽車內(nèi)部的比較,從整體上來說,電動汽車用鋰電池在容量和功率上的要求比便攜終端高出若干倍,同時也要求更高的壽命和安全性,如果不這樣則無法進入產(chǎn)業(yè)化階段。
固定裝置用途的大型儲能設(shè)施對比電動汽車的性能要求也是提高了若干倍,單從安全性來說,對于大樓蓄電系統(tǒng)及家用蓄電系統(tǒng)而言,必須具備發(fā)生火災(zāi)時不會燃燒的“高”安全性能,而電動汽車和便攜終端用鋰電池顯然不具備這種要求。固定裝置用途的儲能設(shè)施內(nèi)部也可以劃分出不同的主要訴求。對用于夜間儲電白天放電的高峰期轉(zhuǎn)換為代表的電網(wǎng)電力而言,要求電池具備大容量,如樓宇系統(tǒng)用儲能設(shè)施鋰電池。而對于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電來說,就必須使用對輸出功率變化具有較高耐性的高功率電池,因為受自然因素影響極大,這兩種發(fā)電裝置輸出功率變化較大。
隨著鋰電池向大型機器應(yīng)用的過渡和轉(zhuǎn)變,使得鋰電池自身要解決根本問題日漸多起來,因而出現(xiàn)了結(jié)合鋰離子電池與傳統(tǒng)雙層電容器優(yōu)點的鋰離子電容器,也有開發(fā)新型氧化還原液流電池的新技術(shù)處于同步研發(fā)階段,未來鋰電池的道路還很遠(yuǎn)。
4G手機及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、基站建設(shè)從去年開始在中國境內(nèi)推行,并且付諸使用。人們之所以喜歡使用4G手機,是因為它可以支持更快的數(shù)據(jù)傳輸,表現(xiàn)在展示效果上,圖像更清晰,接近電視;能夠以100M(TD-LTE標(biāo)準(zhǔn))速度下載,比目前的撥號上網(wǎng)快2000倍;上傳速度20M,滿足所有用戶對于無線服務(wù)的要求。自HTC提供了全球第一臺4G手機后,三星、摩托羅拉也相繼推出自己的4G手機,但4G手機的推廣速度并不能象其他電子產(chǎn)品推廣速度一樣快,原因就在于鋰電池續(xù)航能力問題仍然是一個最大的問題。
4G手機在續(xù)航能力上突破難度極大的代表言論之一來自蘋果,著名果粉約翰•格魯伯就說,蘋果公司為了保證鋰電池壽命暫時不會在下一代iphone上使用4G網(wǎng)絡(luò)。
對于這個問題好理解,更快、更好、更強大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)必然耗電更多,做到續(xù)航能力和上網(wǎng)體驗的綜合平衡在現(xiàn)有電池技術(shù)條件下很難。從電池作為儲電設(shè)備投入到應(yīng)用以來,電池技術(shù)的改進都是倍其艱難。因為,首先,材料是既定的;其次,結(jié)構(gòu)設(shè)計是既定的。也就是說,無論哪一種類型的電池,從一次電池中的碳性電池、堿性電池到二次電池中的鎳鎘/鎳氫電池、鋰離子電池,它們出生的原理是不可能改變的。
目前,一次電池基本沒有改進的空間,二次電池中,鋰離子電池可以通過摻雜和表面涂層技術(shù)來提高一部分能量密度,但由于材料的限制,提升空間總是有限的,這兩種手段目前主要是用于電動汽車用動力鋰電池。對于小型鋰電池,如手機鋰電池,還沒有這方面的改進工藝。原因在于,手機用的是聚合物鋰電池,而動力鋰電池多用錳酸鋰或者磷酸鐵鋰電池。
但是現(xiàn)在有一個問題,4G手機的推廣是一個必然趨勢,作為未來的一種綜合性通訊信息工具,它必須要取得至少相對于PC、電視方面的優(yōu)勢才有勝出的理由。為此,4G標(biāo)準(zhǔn)也在探索中,目前已經(jīng)開始啟動的4G標(biāo)準(zhǔn)有中國移動的TD-LTE、聯(lián)通的HSPA+和美國標(biāo)準(zhǔn)WIMAX。TD-LTE在國內(nèi)應(yīng)用較廣,它的下載速度是國內(nèi)最快的基于聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)WCDMA的5倍到20倍。
于是,在4G手機應(yīng)用上的矛盾出現(xiàn):網(wǎng)速更快與使用時間更短。既然網(wǎng)速更快的目標(biāo)是不容置疑的,那就只有改進鋰電池以實現(xiàn)二者的平衡。顯然,蘋果iphone的所說的不使用4G網(wǎng)絡(luò)的言論是不現(xiàn)實的,至少iphone會考慮在保持與現(xiàn)有產(chǎn)品相同續(xù)航能力的基礎(chǔ)上應(yīng)用4G網(wǎng)絡(luò)。這里有兩個方法,一種是將智能鋰電池的體積做得更大一些,這樣就可以獲得大容量鋰電池,另一種方法就是改進手機的智能芯片使其耗電量減小。當(dāng)然,這兩個方面都是權(quán)宜之計,或者是過渡政策,大容量鋰電池的大體積使手機便攜性能不那么明顯,而所謂芯片的改進或基于功能的減少,或基于內(nèi)部運作時轉(zhuǎn)換率的提高(熱量減少),這種芯片改進顯然是有極限的,而且也節(jié)約不了太多的容量消耗。
與大型工業(yè)鋰電池的改進一樣,現(xiàn)今4G手機鋰電池的探索也有可能會演變出多種路線來,從材料上來改進或許是最基本有效的方式。
















