鋰離子電池被大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的歷史詳解
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-12 23:31
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無論是最新款的華為 P30，還是我的諾基亞 3310，它們?cè)谕耆珱]電后，都會(huì)變成同樣的一塊磚頭。
每天給手機(jī)充電已經(jīng)是一種生活習(xí)慣，這個(gè)慣性動(dòng)作的背后，其實(shí)是電池技術(shù)并未跟上智能硬件產(chǎn)品發(fā)展速度的一種表現(xiàn)。
事實(shí)上，鋰離子電池被大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的歷史并不長(zhǎng)。如今我們距離鋰離子電池在硬件產(chǎn)品上的第一次爆炸事件，才僅僅過去了 30 年，而造成那次悲劇的「鋰枝晶」現(xiàn)在依然是電池研發(fā)人員的噩夢(mèng)。
慢充保壽命，快充省時(shí)間的鋰電池
從口袋里的手機(jī)，到桌面上的電腦，再到路上跑的電動(dòng)汽車，鋰離子電池都是現(xiàn)在絕大部分智能電子設(shè)備的動(dòng)力之源。
鋰離子電池是電子設(shè)備中最常用的電池，這要得益于「鋰」的金屬特性，密度低到 0.534g / 立方厘米，原子質(zhì)量小到 6.9u，因此它是一種質(zhì)量很輕并且極易與外界發(fā)生反應(yīng)的金屬。
鋰電池的工作原理是這樣的：
充電的過程就是鋰離子從正電極中移動(dòng)到負(fù)電極，放電的過程就是鋰離子重新跑回到正電極。鋰離子可以看做載著電荷的小車，在化學(xué)反應(yīng)的過程中形成電流供電。
電池快充就是讓鋰離子移動(dòng)的速度加快。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果，不僅需要適當(dāng)改變充電電壓，還需要對(duì)鋰離子移動(dòng)的路徑，也就是電解質(zhì)進(jìn)行改良。
電池的一個(gè)重要的指標(biāo)就是「能量密度」，可以理解為：每公斤的物質(zhì)最多能夠攜帶的能量。
另外一個(gè)常見的指標(biāo)是電池容量，這個(gè)數(shù)值一般會(huì)標(biāo)注在電池或者電子設(shè)備上。當(dāng)一個(gè)電池的放電電量達(dá)到了電池容量的 100%，就是完成了一個(gè)充電周期。經(jīng)過一定數(shù)量的充放電周期后，任何類型的電池容量都會(huì)變少。
電池壽命縮短的過程與「鋰枝晶」有關(guān)。我們把鋰離子看做小車，但是這些車隊(duì)在充放電的往返過程中并不會(huì)規(guī)規(guī)矩矩、整整齊齊。
它們會(huì)在出門的時(shí)候把車庫(kù)撞壞（引起結(jié)構(gòu)變化），也會(huì)在返回車庫(kù)的時(shí)候幾輛車一起把車庫(kù)的門堵住，引起塞車，當(dāng)這條車龍到達(dá)一定的長(zhǎng)度，就會(huì)讓電池發(fā)生短路和爆炸。這條車龍就是「鋰枝晶」，如今的車龍依然存在，只是因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步得到了緩解。
鋰電池商用的歷史，索尼是一個(gè)里程碑
在消費(fèi)電子產(chǎn)品開始起飛的年代，廠商急需一種輕便、大容量，又能循環(huán)充放的電池。這種迫切讓電池制造商和產(chǎn)品廠商忽視了「鋰枝晶」的危害。
以電動(dòng)車為例，電池面臨的三個(gè)問題
我們距離鋰電池正式大規(guī)模商用才不到 30 年，目前最流行的鋰電池屬于鋰離子電池。有統(tǒng)計(jì)顯示，鋰離子電池的性能和價(jià)格演進(jìn)速度正在放慢，這個(gè)趨勢(shì)很有可能會(huì)在未來影響電動(dòng)汽車的大規(guī)模生產(chǎn)。
一位從事電池研發(fā)多年的技術(shù)人員 Tiger 告訴愛范兒，現(xiàn)階段電池的技術(shù)瓶頸主要在能量密度、循環(huán)壽命和溫度特性三個(gè)方面。
換個(gè)角度，電動(dòng)車?yán)镫姵孛媾R的問題主要有三個(gè)，分別是：
- 里程焦慮
- 安全問題
- 成本問題。
首先，「里程焦慮」與鋰離子電池的能量密度有關(guān)。鋰這種金屬的理論極限能量密度是 14000Wh/kg，由于鋰電池一般都會(huì)摻雜其他物質(zhì)，再加上正負(fù)極材料的影響，因此目前工業(yè)生產(chǎn)的鋰電池能量密度普遍在 150-300Wh/Kg。
由于需要考慮電池材料在使用過程中的穩(wěn)定性，因此突破 300Wh/Kg 的電池制造技術(shù)只有少數(shù)廠商可以做到，比如特斯拉就在其中。
最近 20 年來商用電池的研發(fā)基本都沒有太大的突破，在化學(xué)電池這個(gè)領(lǐng)域里，如果人們找不到能夠替換「鋰」的新材料，基本上電池能量密度也沒有突破的指望。
也就是說，包括手機(jī)、無人機(jī)、電動(dòng)車在內(nèi)使用鋰電池為主的智能產(chǎn)品，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，電池的單次續(xù)航依然會(huì)明顯受到限制，只能通過增加充電次數(shù)、加快充電效率等方式來解決。
其次是安全問題。
電池依然是一個(gè)易燃易爆的脆弱事物，坐飛機(jī)時(shí)電池不能托運(yùn)只能隨身攜帶就是其中一個(gè)表現(xiàn)。
汽油車起火時(shí)，人們往往還有逃生時(shí)間，但若換成是電動(dòng)車電池起火，基本是瞬間被火海淹沒，車內(nèi)人員生還的可能性比汽油車低得多。
另外，高溫狀態(tài)下，電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)容易分解，導(dǎo)致起火。電池發(fā)生碰撞也有可能短路起火。
第三個(gè)是鋰離子電池的成本問題。
為了讓鋰離子電池在使用時(shí)更加穩(wěn)定安全，電池內(nèi)部會(huì)添加各種化學(xué)物質(zhì)，可以做到改善電池的溫度特性、增加電池倍率等。這些物質(zhì)包括鈷、鎳和其他稀有金屬。
這些稀有金屬在地球上的儲(chǔ)量很有限，開采的難度也比較高，隨著電動(dòng)汽車電池的需求量日益增長(zhǎng)，稀有金屬原材料的價(jià)格也水漲船高。
《自然》雜志曾統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到 2025 年，全球每年生產(chǎn) 1000-2000 萬輛電動(dòng)車，按照每個(gè)電動(dòng)車電池需要 10 公斤的鈷，那么屆時(shí)的電動(dòng)車行業(yè)每年需要 10-20 萬噸的鈷。然而這個(gè)需求量已經(jīng)是目前世界鈷產(chǎn)量的大部分。
鋰離子電池的短板太多，電池技術(shù)在最近二十多年來基本是在緩慢前行。《自然》雜志的預(yù)測(cè)是：
我們距離鋰電子電池革命僅剩下 10 年。
電池研發(fā)相當(dāng)耗時(shí)，能用的新技術(shù)都在用
電池研發(fā)是一件相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間的事情。比如研發(fā)人員電池的某個(gè)部分進(jìn)行改進(jìn)，那么就需要進(jìn)行大量的充放電實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證效果。
每一次充放電都是需要耗費(fèi)時(shí)間和資源的。為了讓電池研發(fā)人員可以更好地對(duì)電池剩余充放電次數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院與豐田研究所共同創(chuàng)建了一種人工智能，可以用來預(yù)測(cè)電池的性能和壽命。
這個(gè)算法通過學(xué)習(xí)上億次電池充放電的數(shù)據(jù)，因此能夠在收集單個(gè)電池五次充放電周期的數(shù)據(jù)后，預(yù)測(cè)電池的剩余壽命，正確率為 95%。這項(xiàng)人工智能技術(shù)預(yù)計(jì)能幫廠商在研發(fā)電池時(shí)提速。要這樣換電池的手機(jī)慢慢變少了
鋰離子電池是近代最偉大的發(fā)明之一，它改變了很多電子產(chǎn)品獲取電能持續(xù)工作的模式，讓它們具有可移動(dòng)、可攜帶的特點(diǎn)，進(jìn)而影響了我們?nèi)粘Ｊ褂孟M(fèi)電子產(chǎn)品的方式。隨著電池技術(shù)的提升，手機(jī)上的電池已經(jīng)逐漸不用拆換，出門帶上一塊充電寶就變成一件理所當(dāng)然的事。
就目前而言，鋰離子電池雖有諸多不足，但它依然是消費(fèi)電子產(chǎn)品最好甚至是唯一的選擇。正極的活性材料主要有兩類，一類是鎳鈷錳鋰化合物（NCM），另外一類是磷酸鐵鋰（LFP）；負(fù)極多是石墨（95%），加上一些添加劑。放電時(shí)鋰離子脫嵌，充電時(shí)鋰離子嵌入，形成放電或者充電電流。通常新能源汽車車載鋰電池多是由電芯、模組、電池包構(gòu)成；電芯是電池包的最小單元，模組則由多個(gè)電芯連接而成，電池包又由多個(gè)模組組成，另外加上電池管理控制模塊、連接端子等。如果把車載鋰電池包作為一個(gè)子系統(tǒng)，那么電芯成本占的比例約為85%左右，所以，對(duì)電芯成本做一個(gè)精準(zhǔn)計(jì)算、找出主要的成本驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，然后進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，是優(yōu)化電池包成本、做好新能源汽車整車成本企劃的重要路徑。
在過去，有很多電子產(chǎn)品都是靠堿性干電池、紐扣電池供電續(xù)命，當(dāng)時(shí)的用戶可能沒有想象過，裝著高性能鋰離子電池的產(chǎn)品會(huì)是怎樣的。
如今我們所使用的電子產(chǎn)品，也被電池技術(shù)的緩慢發(fā)展束縛，你可能沒有想象過一部 iPhone 充一次電可以正常使用一周的場(chǎng)景。我想這樣的手機(jī)會(huì)被賣瘋吧。
現(xiàn)在的鋰電池用途越來越廣泛，并且現(xiàn)在的手機(jī)芯片每年都在提升，從麒麟970到980，高通845到高通855。但是鋰電池卻并沒有做更好的提升，介紹手機(jī)的時(shí)候只是介紹了電池多大而已。而想要鋰電池能有技術(shù)突破提高續(xù)航，可能就得從正負(fù)極材料入手了，這個(gè)難度實(shí)在太高以至于到目前為止都沒有任何有效的進(jìn)展，并且隨著5G時(shí)代到來，手機(jī)的運(yùn)行速度也是越來越快，對(duì)電量和性能是一個(gè)非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)，而鋰電池更加是其中的重中之重，大家對(duì)于這方面的需求可能會(huì)越來越高，所以說留給鋰電池的時(shí)間其實(shí)不多了。雖然現(xiàn)在有充電寶可以續(xù)航，但是這并不代表電池的問題就不需要解決，諾基亞早在去年就開始研發(fā)新電池技術(shù)，它確實(shí)做到了更加的超長(zhǎng)待機(jī)，但是使用壽命也是大大的縮短，所以并不適合現(xiàn)在的時(shí)代使用。
在現(xiàn)在這個(gè)即將到來的5G時(shí)代，各大手機(jī)產(chǎn)商還發(fā)布了自己手機(jī)多少萬快充的數(shù)據(jù)來彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，但是其根本并沒有得到改善，電池依舊是現(xiàn)在的痛點(diǎn)，并且隨著電池的使用它的電量消耗會(huì)越來越快，最后會(huì)出現(xiàn)各種虛電和假電的現(xiàn)象，不過目前鋰電池算得上一種為最普遍和廉價(jià)的電池了，雖然目前有也有一些產(chǎn)品可以替代，但是由于需要大量生產(chǎn)并且還需要革新，所以很多產(chǎn)品都已經(jīng)死在了量產(chǎn)的道路上面，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的普及。這成為了當(dāng)下一個(gè)難點(diǎn)，不過現(xiàn)在我們國(guó)產(chǎn)的鋰電池在安全性上面來說還是相對(duì)較高的，隔壁的三星也是采用的鋰電池卻頻繁的發(fā)生爆炸，這也很讓人擔(dān)心。
鋰電池雖然屬于可再生資源，但是現(xiàn)在的鋰電池廢棄和回收在當(dāng)前國(guó)內(nèi)也是一個(gè)很大的問題，當(dāng)前的舊手機(jī)等等一般都是放在家里，鋰電池并沒有做很好的處理，還有可能產(chǎn)生爆炸事故，所以現(xiàn)在隨著鋰電池的廣泛運(yùn)用，我們也需要對(duì)鋰電池多加重視，避免各種悲劇。隨著現(xiàn)在5G技術(shù)的到來，鋰電池能否有一個(gè)更好的前途來襯托5G手機(jī)呢？現(xiàn)在的鋰電池已經(jīng)遍布全球了，一旦它的技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，那么它將會(huì)成為最重要的物質(zhì)之一。
