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電池知識(shí)

手機(jī)鋰電池的發(fā)展遇到了什么瓶頸?究竟是什么制約著鋰電池的發(fā)展?

來源:寶鄂實(shí)業(yè)    2019-05-14 16:38    點(diǎn)擊量:

手機(jī)電池的發(fā)展遇到了什么瓶頸?
要回答這個(gè)問題,首先要知道手機(jī)電池到底要發(fā)展什么,或者用戶的訴求是什么?無非就是這兩個(gè)方面:一個(gè)是電池容量大小,還有一個(gè)就是充電速度。

先來說說電池容量,大部分用戶為了續(xù)航會(huì)追求更大的電池容量,那么電池容量的大小是由什么因素來決定的?電池容量x電池電壓=電池能量密度x電池體積。電池體積又受到這幾個(gè)方面的影響,一個(gè)是整機(jī)的大小,一個(gè)是機(jī)身的厚度,還有一個(gè)就是一些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),比如 OnePlus 3T 的設(shè)計(jì)規(guī)范是為了電池安全,電池不能離手機(jī)外框輪廓太近,以免手機(jī)跌落時(shí)損壞電池,這樣電池體積就有可能縮水。所以決定電池容量大小的因素就是電池能量密度+電池體積。

這樣看起來是不是很簡單?我們只要單純地提升電池能量密度或者把機(jī)身做厚、電池體積增大就可以提升電池容量了,那為什么現(xiàn)在很難做到呢?

這個(gè)又要從三方面說起,一個(gè)是“安全”,一個(gè)是“材料”,還有一個(gè)是“平衡”。

先來說提升電池能量密度的風(fēng)險(xiǎn),為了保證電池的容量足夠大,電池能量密度肯定是越大越好,但是任何事情都是物極必反的,電池能量密度增加也有可能帶來風(fēng)險(xiǎn)。

電池能量密度增加的風(fēng)險(xiǎn)主要有這幾個(gè)方面,一個(gè)是手機(jī)從結(jié)構(gòu)上來說是一個(gè)很理想的爆炸體,另一個(gè)是提升能量密度過程中的工藝更改帶來的不確定性。學(xué)理科的同學(xué)都知道爆炸的原因就是能量聚集在一個(gè)密閉的空間內(nèi)擴(kuò)散不出去,所以手機(jī)是一個(gè)很典型的“爆炸體”,尤其是金屬手機(jī)?,F(xiàn)在很多手機(jī)都做了防水,內(nèi)部會(huì)更加密閉,所以手機(jī)內(nèi)部如果有什么劇烈的化學(xué)反應(yīng)的話,非常容易爆炸。爆炸的威力就跟電池的容量有關(guān),所以電池能量密度越高的話,在手機(jī)這個(gè)小空間內(nèi),爆炸的威力就越大;還有一些問題不是電池能量密度本身的,而是廠商為了追求電池能量密度,會(huì)適當(dāng)?shù)馗碾姵氐闹谱鞴に?,這些更改可能引進(jìn)一些安全問題。舉個(gè)例子:電芯內(nèi)部有一層隔膜用來隔離電芯的正負(fù)極,一旦隔膜戳破就會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極材料短路產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng),從而引起起火爆炸。但是,隔膜對(duì)電芯的容量是沒有貢獻(xiàn)的。所以,為了提高電池容量,需要將隔膜減薄,這個(gè)必然會(huì)在一定程度上提高電池發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。所以,對(duì)于一種新工藝電池,沒有經(jīng)過市場(chǎng)大規(guī)模驗(yàn)證,我們不認(rèn)為它是一個(gè)成熟可靠的產(chǎn)品,哪怕廠家多有信心,實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)多完美。

那么“材料”和“平衡”呢?

這是一個(gè)行業(yè)性的問題,電池的能量密度提升遇到了很大的困難,除非換掉電池的材料,我們現(xiàn)在所使用的鋰電池的能量密度基本短期內(nèi)已經(jīng)很難有重大發(fā)展了。

平衡的話要從好幾個(gè)方面說起,一個(gè)是充電速度,現(xiàn)在我們 3400mAh 的電池采用了 4A 的適配器充電,這已經(jīng)很高了,再往上提高充電電流的話,電池就會(huì)發(fā)熱,但是現(xiàn)在手機(jī)機(jī)身發(fā)熱也是一個(gè)很嚴(yán)重的問題。如果想降低電池的發(fā)熱,又得降低電池的內(nèi)阻,但是降低內(nèi)阻就需要加寬或加厚導(dǎo)體,這就會(huì)導(dǎo)致電池能量密度也降低了,這就成了一個(gè)矛盾體。那如果增大電池體積呢?這樣的話機(jī)身厚度、大小又有可能增加很多,對(duì)于現(xiàn)在追求“手感”“纖薄”的用戶來說,似乎也是行不通的。

所以電池發(fā)展遇到的瓶頸不是說某一方面做不到,而是要同時(shí)兼顧到這幾個(gè)因素:電池能量密度、充電速度、安全性、體積,這幾個(gè)是一個(gè)平衡體。強(qiáng)制去提高某一項(xiàng)肯定可以做到,比如說單純只提升電池能量密度,但是提高了就會(huì)下降另外一項(xiàng),不可能所有都追求完美,只能取一個(gè)平衡點(diǎn),這就是困難之處。


商業(yè)化的鋰離子電池原理也很簡單,人盡皆知:鋰離子在正負(fù)極之間來回穿梭,簡稱“搖椅”電池。
但是答主卻花費(fèi)了大量時(shí)間來研究這個(gè)東西(的一部分),甚至電化學(xué)這整一門學(xué)科也一直貫穿在鋰離子電池這個(gè)領(lǐng)域,難以自拔。究其原因:系統(tǒng)太過復(fù)雜。
但就跨越的學(xué)科而言,這個(gè)領(lǐng)域至少囊括了以下維度:
1.材料化學(xué)
2.固體物理(含結(jié)構(gòu)化學(xué))
3.電化學(xué)
4.化工原理
然而因?yàn)楝F(xiàn)在生活方式對(duì)于掌上設(shè)備是這樣的依賴、軟件功能發(fā)展是這樣的迅速互聯(lián)網(wǎng)上的生活是這樣的精彩,人們才意識(shí)到,花擦,怎么老是要充電?這傻逼扁片怎么這么難伺候?
鋰離子電池的能量密度成為了你掌上生活揮之不去的附骨之蛆,a real pain in the ass······
然而,任何事物發(fā)展都是有(大量的)時(shí)間積累,電池也赫然在列。
熟悉科學(xué)史的朋友都知道,在1940年以前,鋅錳類(Zn/MnO2)的一次電池牢牢占據(jù)著電子消費(fèi)類產(chǎn)品的市場(chǎng),直到60年代那會(huì),堿性鋅錳電池(Zn/KOH/MnO2)還是消費(fèi)類的大當(dāng)家,不過質(zhì)量能量密度已經(jīng)可以從40Wh/kg提升到100Wh/kg了,當(dāng)然,即便是現(xiàn)在,堿性鋅錳電池這種一次電池因?yàn)樽陨淼牡统杀?,還是能在很多地方得到發(fā)揮。然后就是一次的鋰/二氧化錳電池(Li/MnO2等等)和鋅空氣電池(Zn-Air)在70年代的悄然冒頭(其實(shí)人家也是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不斷成熟完善),直接把質(zhì)量比能量翻了一倍,提升到了250Wh/kg的水平。再來到80年代,一次的鋰/二氧化硫(Li/SO2)和鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池在特殊領(lǐng)域被開發(fā)出來,而電池的質(zhì)量比能量直達(dá)380Wh/kg。而事實(shí)上,干性聚合物電解質(zhì)鋰電池在80年代業(yè)已萌芽,它們的質(zhì)量能量密度范圍大致在220~280Wh/kg內(nèi),只不過這個(gè)分支一直處在研發(fā)階段而且被視作二次電池手機(jī)容量的問題,主要取決于材料。不是不可能提高,而是新材料的研發(fā)需要一定的時(shí)間?,F(xiàn)有的商業(yè)產(chǎn)品都是對(duì)比千萬種材料,才獲得的結(jié)果。相比于工藝的發(fā)展,材料的改進(jìn)需要較為漫長的時(shí)間。
第一塊鋰電池至1991年上市才25年。正極為鈷酸鋰,負(fù)極為石墨。
現(xiàn)有的正極材料還有三元材料,錳酸鋰,磷酸鐵鋰這3種。其他的都還在研發(fā)中。這三類材料都不能完全取代鈷酸鋰,所以研發(fā)中的材料基本還在找。負(fù)極也是。所以在沒有材料的重大突破中,大家的工藝都只是在“修修補(bǔ)補(bǔ)”。
對(duì)于新材料的研發(fā),大家一直都在元素周期表上尋找。比如便宜點(diǎn)的鈉離子電池,容量高一點(diǎn)的鎂離子電池,鋁離子電池等,或者鋰空氣電池,鋰硫電池。但是這些體系的建立,需要大量的基礎(chǔ)研究。雖然有很多天才加入,但是大量的人才都涌入到價(jià)格更高的計(jì)算機(jī)金融行業(yè)。甚至有所謂的過來人,還勸說學(xué)材料的人趕緊跳出坑。所以當(dāng)吃瓜群眾說電池容量怎么不能快速提高的時(shí)候,我想說,你行你上呀。
不過呢,主要原因還是化學(xué)所利用的只是核外價(jià)電子,對(duì)于內(nèi)層電子利用不到,導(dǎo)致能量的不足。怎么利用內(nèi)核電子呢?這是物理學(xué)家的事^_^

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