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未來電池誰能稱霸!鋰空氣電池和燃料動力電池備受期待!

鉅大LARGE  |  點擊量:900次  |  2020年07月01日  

自從20世紀中期計算機芯片發明以來,技術就一直在飛速進步,我們可以用一個故事來講述:摩爾定律。每2年芯片中的晶體管數量就會翻倍,其它技術也在進步,最終使得處理器的性能每隔18個月翻一倍。從摩爾定律被含義的那天起,到現在已經40多年了,它一直沒有被打破。一代人在電子領域創造了驚人的進步,摩爾定律很好地詮釋了這些進步;在摩爾定律的推動下,智能手機已經進入到億萬人的口袋,它比幾十年前最好的電腦還要強大幾千倍。


再看看設備中使用的電池,它的發展完全和摩爾定律不匹配。1991年索尼率先將鋰離子電池商用,到今天這門技術并沒有明顯的改變。汽車使用的技術更為古老,內燃發動機的基本設計、車用鉛酸電池幾十年都很少改變。


縱觀設計的歷史,大多時候公司們根本沒有改變的欲望,行業一直運行得很好,我們很少去考慮電池。回看2000年時,手機充一次電可以用好幾天。然而在過去的10年里,我們已經進入了智能手機時代,電池的不足開始變得嚴重起來。與9年前喬布斯公布的iphone相比,蘋果最新的手機強大16倍,但它的續航時間仍然不到一天。


新老手機之所以性能差距如此之大,重要歸功于工程進步,它是通過提高處理器效能實現的,而不是因為電池更好。至于毫安時(在一定的放電時間下完全放電出現的電流),iphone6s只比2007年第一代iphone提高了22%。


鋰離子電池挑戰


設計鋰離子電池很簡單。當電池充電時,電子流通過電路傳送到負極,吸引電解質溶液中的鋰離子(一種可帶電粒子)。當我們使用電池時,離子會通過溶液轉移到負電極,它會釋放電流給設備充電。


這是相當基本的化學過程,結果就是很難改進。只有幾種元素可以使用,而事實證明鋰是最適合的。要改進電池,辦法就是改變電極和電解質的化學成份,但改進是逐步進行的,而且隨著時間的推移改進會越來越難。盡管富有的科技公司不斷向電池投入資本,每年電池的性能仍然只能提升5%。事實上,許多電池制造商發現要提升電池效能,最好的辦法就是新增體積,讓它有更大的空間容納更多的離子。


關于許多人來說,這樣的辦法顯然不夠好。智能手機最開始只是日常生活的重要部分,現在成了我們的基本需求。我們用它來支付錢款,用它來通信,用它來導航。假如手機不能用,我們會很心煩。這還不算什么,當電動汽車、搶救生命的健康設備沒有電時后果更嚴重。照預測,太陽能將是未來的重要能源,假如沒有太陽,就要電池擁有很大的存儲容量才行。


替代產品


人們對電池越來越依賴,受到需求的推動,公司投入大量的時間和金錢開發鋰離子電池替代產品。


去年,劍橋大學科學家宣布獲得巨大突破,它們開發了鋰空氣(lithium-air)電池,科學家宣稱新電池的性能是現有鋰離子電池的10倍。新技術直接使用空氣中氧氣的部分電子,而不是使用存儲在電池一端的電子,他們宣稱電池的性能可以大幅提高,充電一次可以讓一輛電動汽車從倫敦開到愛丁堡。


劍橋科學家將這種鋰空氣電池稱為終極電池,其實這種設計幾十年前就出現了,但傳統的過氧化鋰設計被證明是不穩定的,而且不支持多次充電。采用新的化學成份替代氫氧化鋰能減少耗電化學反應的次數,使得電池可以反復充電2000次以上。


美國伊利諾斯州阿貢國家實驗室(ArgonneNationalLaboratory)的研究者上周宣布取得突破,他們推出了超氧化鋰物電池,新技術解決了其它鋰空氣電池的許多重要難題。新設計還要幾年才能投入商用,可能至少要10年時間。


還有一個方法也許同樣行得通:不去開發更好的電池,而是尋找更好的方法供應能量。英國IntelligentEnergy公司宣稱在不久的將來可以在消費電子產品上使用氫燃料動力電池


IntelligentEnergy公司CEOHenriWinand說,采用新技術開發的原型電池能夠讓智能手機持續用上一星期,可以讓無人機飛幾小時而不是30分鐘。它不要充電,燃料動力電池可以在內部互換。公司還與Suzuki合作開發搭載燃料動力電池的滑板車,它還與一家新興智能手機商開發使用燃料動力電池的產品。魏南德說:以后我們不用再按照電量來安排生活。他說采用燃料動力電池的手機還有18個月就會出現。


關于依賴電池的消費者和公司來說,這樣的速度還是不夠快,燃料動力電池可能要好多年才能形成主流。同時,一些技術公司仍然在投資鋰離子電池技術,它們認為短時間之內這是最好的選擇。


放眼全球,有許多公司大規模使用電池,特斯拉是其中的一個,它投資近50億美元在美國內華達建造鋰離子電池廠。還有一些消費電子公司拒絕依賴突破性技術,它們轉而重視無線充電技術或者快速充電技術,只要半小時或者一小時就可以將電池從0充到60%。


即使是最有希望的新電池暫時也還不可能取代鋰離子電池,新電池還要多年的測試,要法律的許可,然后才能進入到汽車和手機中。不論誰贏得競爭,它的電池都將是本世界最大的突破之一。


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