鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2019年04月26日
是電池限制了我們對智能產品的想象力嗎?
慢充保壽命,快充省時間的鋰電池
從口袋里的手機,到桌面上的電腦,再到路上跑的電動汽車,鋰離子電池都是現在絕大部分智能電子設備的動力之源。
▲鋰離子電池是怎么工作的
鋰離子電池是電子設備中最常用的電池,這要得益于「鋰」的金屬特性,密度低到0.534g每立方厘米,原子質量小到6.9u,因此它是一種質量很輕并且極易與外界發生反應的金屬。
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到負電極,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,在化學反應的過程中形成電流供電。
電池快充就是讓鋰離子移動的速度加快。為了實現這個效果,不僅需要適當改變充電電壓,還需要對鋰離子移動的路徑,也就是電解質進行改良。
電池的一個重要的指標就是「能量密度」,可以理解為:
每公斤的物質最多能夠攜帶的能量。
另外一個常見的指標是電池容量,這個數值一般會標注在電池或者電子設備上。當一個電池的放電電量達到了電池容量的100%,就是完成了一個充電周期。經過一定數量的充放電周期后,任何類型的電池容量都會變少。
電池壽命縮短的過程與「鋰枝晶」有關。我們把鋰離子看做小車,但是這些車隊在充放電的往返過程中并不會規規矩矩、整整齊齊。
▲鋰枝晶
它們會在出門的時候把車庫撞壞(引起結構變化),也會在返回車庫的時候幾輛車一起把車庫的門堵住,引起塞車,當這條車龍到達一定的長度,就會讓電池發生短路和爆炸。這條車龍就是「鋰枝晶」,如今的車龍依然存在,只是因為技術進步得到了緩解。
▲針刺測試示意圖
一個「針刺測試」,充滿電的電池放在一個平面上,用直徑3mm的鋼針沿徑向將電池刺穿。測試電池不起火、不爆炸則為通過測試。
通過「針刺測試」的技術太難了,國際電工委員會(IEC)的電池檢測標準中就沒有包含該項測試。今年3月初,工信部官網發布《電動汽車用動力蓄電池安全要求》等三項汽車行業強制性國家標準中,「針刺測試」也被取消了。
以電動車為例,電池面臨的三個問題
我們距離鋰電池正式大規模商用才不到30年,目前最流行的鋰電池屬于鋰離子電池。有統計顯示,鋰離子電池的性能和價格演進速度正在放慢,這個趨勢很有可能會在未來影響電動汽車的大規模生產。
現階段電池的技術瓶頸主要在能量密度、循環壽命和溫度特性三個方面。
換個角度,電動車里電池面臨的問題主要有三個,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。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摻雜其他物質,再加上正負極材料的影響,因此目前工業生產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定性,因此突破300Wh/Kg的電池制造技術只有少數廠商可以做到,比如特斯拉就在其中。
最近20年來商用電池的研發基本都沒有太大的突破,在化學電池這個領域里,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、無人機、電動車在內使用鋰電池為主的智能產品,在相當長的一段時間內,電池的單次續航依然會明顯受到限制,只能通過增加充電次數、加快充電效率等方式來解決。
其次是安全問題。
電池依然是一個易燃易爆的脆弱事物,坐飛機時電池不能托運只能隨身攜帶就是其中一個表現。
汽油車起火時,人們往往還有逃生時間,但若換成是電動車電池起火,基本是瞬間被火海淹沒,車內人員生還的可能性比汽油車低得多。
另外,高溫狀態下,電池內部的化學物質容易分解,導致起火。電池發生碰撞也有可能短路起火。
第三個是鋰離子電池的成本問題。
為了讓鋰離子電池在使用時更加穩定安全,電池內部會添加各種化學物質,可以做到改善電池的溫度特性、增加電池倍率等。這些物質包括鈷、鎳和其他稀有金屬。
▲礦石開采難度與價格
這些稀有金屬在地球上的儲量很有限,開采的難度也比較高,隨著電動汽車電池的需求量日益增長,稀有金屬原材料的價格也水漲船高。
電池研發是一件相當耗費時間的事情。比如研發人員電池的某個部分進行改進,那么就需要進行大量的充放電實驗來驗證效果。
每一次充放電都是需要耗費時間和資源的。為了讓電池研發人員可以更好地對電池剩余充放電次數進行預測,斯坦福大學、麻省理工學院與豐田研究所共同創建了一種人工智能,可以用來預測電池的性能和壽命。
這個算法通過學習上億次電池充放電的數據,因此能夠在收集單個電池五次充放電周期的數據后,預測電池的剩余壽命,正確率為95%。這項人工智能技術預計能幫廠商在研發電池時提速。
▲要這樣換電池的手機慢慢變少了
鋰離子電池是近代最偉大的發明之一,它改變了很多電子產品獲取電能持續工作的模式,讓它們具有可移動、可攜帶的特點,進而影響了我們日常使用消費電子產品的方式。隨著電池技術的提升,手機上的電池已經逐漸不用拆換,出門帶上一塊充電寶就變成一件理所當然的事。
就目前而言,鋰離子電池雖有諸多不足,但它依然是消費電子產品最好甚至是唯一的選擇。
在過去,有很多電子產品都是靠堿性干電池、紐扣電池供電續命,當時的用戶可能沒有想象過,裝著高性能鋰離子電池的產品會是怎樣的。
如今我們所使用的電子產品,也被電池技術的緩慢發展束縛,你可能沒有想象過一部手機充一次電可以正常使用一周的場景。我想這樣的手機會被賣瘋吧。










