鉅大LARGE | 點擊量：1725次 | 2019年06月12日
鋰離子電池被開發到極限了嗎
鋰離子電池被開發至極致，尋覓下一個電池突破點？
假如你在智能手機上閱讀這篇文章，這意味著你正拿著一顆“炸彈”。在防護屏下，鋰（一種十分易揮發的金屬，一旦與水接觸就會被點燃）的化合物正在被分化，并在強壯的化學反應中從頭構建，這種化學反應為現代國際供給了不可或缺的動力。
鋰正被使用在手機、平板電腦、筆記本電腦以及智能手表中，并且存在于咱們的電子煙和電動轎車上。它身輕體軟，且歸于能量密集型物質，這使它成為便攜式電子產品的完美動力之源?？墒牵M技能變得越來越強壯，鋰離子電池技能卻一向難以跟上腳步?，F在，就在全國際都對鋰上癮之際，科學家們正爭相從頭創造為國際供給動力的電池。
巨大的發光屏幕、更快的處理速度、快速的數據銜接以及輕浮的規劃時尚，這些都意味著許多智能手機的電量很難支撐運用一整天。有時分，手機用戶甚至要多次充電。在運用兩年后，很多設備的電池續航時刻都會急劇縮短，不得不被扔進垃圾堆。鋰的巨大優勢也是它最大的缺點。它是不安穩的，或許會爆破。鋰離子筆記本電腦電池的能量與手榴彈相差無幾。IonicMaterials創始人兼首席執行官邁克·齊默爾曼(MikeZimmerman)說：“口袋里有部智能手機就像口袋里揣著煤油相同?！?/p>
齊默爾曼在他坐落美國馬薩諸塞州沃本（Woburn）的公司研討試驗室，親眼目睹了這種焚燒效果。在一項試驗中，一臺機器經過電池組驅動釘子，電池組敏捷脹大，就像微波爐里的爆米花相同，然后發出亮堂的亮光。過去50年的電池研討一向在功能和安全性之間走鋼絲，即在不把鋰面向極端的情況下，盡或許多地擠出能量。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
咱們現在也在這樣做。據預測，到2022年，全球的電池市場規模將達到250億美元。但消費者以為，在一項又一項的查詢中，電池續航時刻是智能手機最受關注的功用。跟著未來十年能耗更高的5G網絡普及，問題只會越來越嚴峻。而對于那些能夠處理問題的人來說，他們將會得到巨大的報答。
IonicMaterials公司僅僅數十家公司中的一員，它們正在進行從根本上從頭思考電池問題的史詩比賽。不過，這場比賽被過錯的初步、苦楚的訴訟以及失利的草創公司所困擾。但在經過十年的緩慢開展之后，期望仍在。國際各地的草創企業、大學和資金雄厚的國家試驗室的科學家們，正在運用雜亂的工具尋覓新資料。他們好像即將大幅進步智能手機電池的能量密度和續航時刻，并創造更環保、更安全的設備，這些設備將在幾秒鐘內完結充電，并滿足繼續全天運用。
電池經過分化化學物質來發電。自從1799年意大利物理學家亞歷山德羅·沃爾塔(AlessandroVolta)創造晰電池，用來處理關于青蛙的爭論以來，每塊電池都有相同的要害部件：兩個金屬電極——帶負電的陽極和帶正電的陰極，由被稱為電解質的物質離隔。當電池銜接到電路時，陽極中的金屬原子會發生化學反應。它們失去一個電子，變成帶正電荷的離子，并經過電解質被吸引到正極。與此一起，電子（也帶負電荷）則會流向陰極?？墒撬]有經過電解質，而是經過電路在電池的外部傳播，為它銜接的設備供電。
陽極上的金屬原子終究會耗盡，此刻意味著電池耗盡電量。但在可充電電池中，能夠經過充電來逆轉這一進程，從而迫使離子和電子回到原位，準備再次發動循環之旅。純金屬制成的電極無法承受原子不斷進出的壓力而不發生坍縮，因此可充電電池有必要運用組合資料，使陽極和陰極經過重復的充電循環堅持形狀。這種結構可被比作公寓建筑，其間有用于反應性元素的“房間”?？沙潆婋姵氐墓δ茉诤艽蟪潭壬先Q于你能以多快的速度在這些房間里進出，而不會導致建筑物倒塌。
1977年，年青的英國科學家斯坦·惠廷漢姆(StanWhittingham)在新澤西州林登(Linden)的?？松?Exxon)工廠工作，他締造了一個陽極，用鋁來構成“公寓街區的墻壁和地板”，用鋰作為活性資料。當他給電池充電時，鋰離子從陰極移動到陽極，在鋁原子之間的空隙中沉淀。當放電時，他們向另一個方向移動，經過電解質回到陰極一側的空間。
惠廷漢姆創造晰國際上第一個可充電的鋰電池，這種硬幣巨細的電池足以為太陽能手表供給動力。但當他企圖添加電壓（使更多離子進出）或企圖制作更大的電池時，它們就會繼續焚燒。1980年，在牛津大學工作的美國物理學家約翰·古德諾夫(JohnGoodenough)取得了突破。古德諾夫是一名基督徒，曾在第二次國際大戰中擔任美國陸軍氣象學家，他也是金屬氧化物方面的專家。他置疑，與惠廷漢姆運用的鋁化合物比較，肯定有某種物質能為鋰供給更堅固的牢籠。
古德諾夫指導兩名博士后研討人員體系性地在周期表中摸索，用不同的金屬氧化物對鋰進行比對，看看在它們崩潰前能從其間抽出多少鋰。終究，他們確認了鋰和鈷的混合物，后者是遍布非洲中部的藍灰色金屬。鋰鈷氧化物能夠承受半數鋰被拉出的極限。當它被用作陰極時，這代表了電池技能向前邁出了一大步。鈷是一種更簡便、廉價的資料，既適用于小型設備也適用于大型設備，并且大大優于市場上的其他資料。
如今，古德諾夫的陰極幾乎出現在地球上的一切掌上設備中，但他并沒有從中賺到一分錢。牛津大學拒絕申請專利，他自己也拋棄了這項權力。但它改變了或許發生的工作。1991年，經過10年的修修補補，索尼將古德諾夫的鋰鈷氧化物陰極與碳陽極結合在一同，企圖改善其新型CCD-TR1攝像機的電池續航時刻。這是第一款用于消費產品的可充電鋰離子電池，它改變了整個國際。
鋰離子被開發至極致，尋覓下一個電池突破點？
吉恩·伯迪切夫斯基(GeneBerdichevsky)曾是特斯拉的第七名職工。當這家電動轎車公司于2003年成立時，電池能量密度穩步進步現已繼續了十年，每年的進步起伏約為7%。但到了2005年前后，伯迪切夫斯基發現鋰離子電池的功能開端趨于平穩。在過去的七八年里，科學家們不得不竭盡全力去爭奪哪怕是0.5%的電池功能進步。
其時的進步首要來自工程和制作業的改善。伯迪切夫斯基說:“在現代化學反應被運用27年后，它們不斷承受提煉?！辟Y料更加純凈，電池制作商現已能夠經過使每層都變得更薄的方法將更活躍的資料裝入相同的空間中。伯迪切夫斯基稱之為“從罐子里吸出空氣”。但這也有其自身風險。現代電池由極薄的陰極、電解質和陽極資料的交替層組成，與銅和鋁電荷搜集器緊密地結合起來，將電子帶出電池，送到需求的當地。
在許多高端電池中，塑料隔膜坐落陰極和陽極之間，用來防止它們接觸和短路，其厚度僅為6微米（約為人類頭發厚度的1/10），這使它們很容易受到揉捏危害。這便是特種公司的安全視頻現在為何正告稱，假如你的手機掉進了機械設備里，不要企圖調整座位。
對鋰離子電池的每一次改善，都需求權衡取舍。進步能量密度會下降安全性，引入快速充電或許下降電池的循環壽數，這意味著電池的功能下降得更快。鋰離子的潛力正在挨近其理論極限。自從古德諾夫的突破以來，研討人員一向在企圖尋覓下一個飛躍，包含經過體系性地審視電池的四個首要組成部分——陰極、陽極、電解質和分離器，并運用越來越雜亂的工具。
克萊爾·格雷(ClareGrey)是古德諾夫在牛津大學的學生，他一向在研討鋰-空氣電池，即用空氣中的氧氣充當另一個電極。從理論上講，這些電池供給了巨大的能量密度，但要讓它們可靠地充電，并且繼續時刻超越幾十個周期，在試驗室里現已夠困難的了，更不用說在現實國際骯臟而不可預知的空氣中了。
雖然格雷宣稱最近取得了突破，但由于上述問題，研討集體的注意力首要轉向了鋰-硫電池。它為鋰離子供給了更廉價、更強壯的替代品，但科學家們一向在盡力阻撓其在陰極上構成的樹突（cathode），以及在陽極上的硫磺因重復充電而溶解。索尼宣稱現已處理了這一問題，并期望到2020年將含有鋰-硫電池的消費類電子產品面向市場。
在曼徹斯特大學，資料學家劉旭清(XuqingLiu)是那些企圖從碳陽極中擠出更多能量的人之一，他將類似于石墨烯的二維資料結合起來，以便擴展外表積，從而添加鋰原子的數量。劉旭清把它比作添加一本書的頁數。這所大學還投資締造干燥的試驗室，這將使其研討人員能夠安全、輕松地交換不同的元件，以測驗不同的電極和電解質的組合。
令人難以置信的是，即便古德諾夫自己也在研討這個問題。去年，94歲的他宣布了一篇論文，描述了一種容量是現有鋰離子電池三倍的電池。這受到廣泛質疑。一位研討人員說:“假如是古德諾夫之外的其他人宣布了這篇文章，我或許就要罵娘。”
可是，雖然有成千上萬的論文宣布，數十億美元的資金投入，數十家創業公司成立并供給資金支撐，自1991年以來，咱們大部分消費電子產品的根本化學功用幾乎沒有改變。在本錢、功能和消費性電子產品的便攜性方面，還沒有什么能夠取代鋰鈷氧化物和碳的組合。iPhoneX的電池的原理幾乎和索尼的第一臺便攜式攝像機相同。
因此，2008年，伯迪切夫斯基從特斯拉離開，開端專心于研討新的電池化學反應。他對尋覓石墨陽極的替代品尤其感興趣，他以為這是制作更好電池的最大障礙。伯迪切夫斯基說:“石墨的運用現已有六七年了，它現在根本上是用在電池的熱力學容量上?！?011年，他與特斯拉的前同事亞歷克斯·雅各布斯(AlexJacobs)、佐治亞理工學院資料學教授格萊布·尤辛（GlebYushin）共同創立了SilaNanotechnologies。他們在阿拉米達的灣區辦公室有開放式布局，以雅達利游戲命名的會議室，還有充滿熔爐和燃氣管道的工業試驗室。
在查詢了一切或許的處理方案之后，三人從理論上確認硅是最有前途的資料。他們只需求讓技能發揮作用。許多人在他們之前嘗試過，但都以失利告終。不過，伯迪切夫斯基和他的同事們對他們的成功表示樂觀。一個硅原子能夠附著4個鋰離子，這意味著與分量附近的石墨陽極比較，一個硅陽極能夠貯存10倍的鋰。這一潛力意味著，美國國家研討院對硅陽極資料充滿了興趣，Amprius、Enovix和Envia等風投機構支撐的草創企業也是如此。
當鋰離子在電池充電時附著在陽極上時，它會細微脹大，然后在運用時再次縮短。在重復的充電循環中，這種脹大和縮短破壞了固態電解質界面層，后者是一種維護物質，在陽極外表構成斑塊。這種危害會發生副作用，耗費電池中的部分鋰。伯迪切夫斯基說：“它被困在無用的垃圾里。”
跟著時刻的推移，這是智能手機開端快速損失儲能的首要原因。石墨陽極脹大和縮短約7%，因此在功能開端急劇下滑之前，它能夠完結大約1000個充放周期。這適當于一部智能手機繼續兩年、每天充電。但由于硅顆粒能吸附如此多的鋰，它們在充電時脹大的起伏要大得多（高達400%）。大多數硅陽極經過幾次充電循環后會發生斷裂。在試驗室的5年多時刻里，SilaNanotechnologies創造了一種納米復合資料來處理脹大問題。
伯迪切夫斯基解說說，假如石墨陽極是個“公寓區”，那么一切的“房間”都是相同巨細，并且都緊緊地擠在一同。經過3萬次迭代（不同的柱子和房間組合），他們構成了陽極，那里每層都有滿足的空間讓硅原子在獲取鋰時脹大。他說：“咱們把剩余的空間困在建筑內部。”這就處理了脹大問題，一起堅持陽極的外部尺寸和形狀安穩。
伯迪切夫斯基表示，明年SilaNanotechnologies將向制作商供給的第一代資料，將使動力密度進步20%，并終究進步40%，一起也能進步安全性。他說：“硅能讓你遠離邊緣，你能夠空出1%或2%的空間，以真實大幅進步你的安全。”最重要的是，它也能夠直接轉換成現有的規劃。跟著亞洲的電池出產商爭相添加工廠產能，為電動轎車時代到來做準備，伯迪切夫斯基以為，任何與當時出產工藝不兼容的產品都或許被掃除在外。他說：“假如現在還不存在能夠替代鋰離子的技能，到上市的時分，它將迎來無數的用戶群?！?/p>
鋰離子電池被開發至極致，尋覓下一個電池突破點？
當電池充滿電并放電時，鋰離子在兩個電極之間舞動，有時它們很難回來。相反，尤其是當電池充電太快時，它們會在電極的外面集合，逐漸構成樹枝狀的分支，就像洞穴頂部的鐘乳石。終究，這些看起來像窗玻璃上結了霜的樹突，能夠經過電解質一路延伸，穿透隔膜，并經過觸碰對面的電極發生短路。
跟著各層之間的距離越來越近，這種風險就會添加，犯錯的或許性也會隨之添加。正如三星去年發現的那樣，犯錯或許會造成危害，代價適當高昂。細小的制作缺點曾導致GalaxyNote7手機電池內部短路。在某些設備上，陽極和陰極終究彼此接觸，這起災難性的召回事件估計導致三星損失了34億歐元。IonicMaterials公司的齊默爾曼解說道：“當這種情況發生時，電池會變得十分熱，液體電解質會發生熱逃逸，終究引發火災和爆破?！?/p>
由于這種情況十分風險，實際上鋰離子電池中沒有那么多鋰，僅為百分之二左右。但假如有一種辦法能夠安全地把純金屬鋰從金屬鈷氧化物籠子里釋放出來，就像惠廷漢姆在20世紀70年代嘗試的那樣，或許會帶來添加十倍的能量密度。這被稱為電池研討的“圣杯”，齊默爾曼或許發現了它。
他以為電解質實際上是添加電池能量密度的最大障礙。人們現已逐漸不再運用浸在液體電解質中的物質，而是運用凝膠和聚合物，但它們通常仍然是易燃的，并且對阻撓快速的熱逃逸進程毫無幫助。齊默爾曼自己供認，他不是一個“電池控”。他主修的專業是資料科學，尤其是聚合物，他在貝爾試驗室和塔夫茨大學任教了14年，之后才開端創業。
21世紀初，齊默爾曼開端對可充電電池發生興趣。其時，有些人在盡力從液態電解質轉向固態電解質。資深儲能科學家唐納德·海格特（DonaldHighgate）解說說：“原則上，由于固態電解質電池更安全，你能夠讓它更盡力工作。同樣的使用程序，你能夠運用更小的電池?！钡鼈兇蠖嗍翘沾苫虿Ａе破罚虼撕艽啵茈y大規模出產?！?/p>
塑料現已在電池中被用于隔離器，即坐落電解質中間以阻撓電極接觸的部分。齊默爾曼以為，假如他能找到適宜的資料，他就能夠拋棄液體電解質和分離器，取而代之的是一層固體塑料，這層塑料是能夠防火的，并且還能夠防止在兩層之間成長樹突。經過IonicMaterials，齊默爾曼用一種全新的傳導機制創造了一種聚合物，它模仿了電子穿過金屬的方法。這是第一個能在室溫下導電鋰離子的固態聚合物。資料是靈活的，低本錢的，經得起各式各樣的檢測。
在一次試驗中，他們把原資料送到了彈道學試驗室，那里通常被用來測驗防彈背心，并用9mm的子彈來射擊它。兩根電線將電池（扁平的銀袋子）銜接到三星平板電腦上，后者的電源被小心移除。子彈擊中后，電池就像火山相同炸開了。在慢鏡頭里，能夠看到塑料和金屬從火山口噴出，就像熔巖。但電池內部沒有迸發，沒有爆破或起火。每次磕碰，設備都堅持敞開狀況。齊默爾曼說:“咱們一向以為聚合物會使它更安全，咱們從來沒有指望電池還能繼續工作?！?/p>
據齊默爾曼說，這種聚合物將推動鋰金屬的開展，并加快選用新的電池化學物質，如鋰-硫或鋰-空氣。但長遠的未來或許不僅僅鋰。曼徹斯特大學的研討員劉旭清表示:“這種改善不能與設備功能的改善速度相匹配，咱們需求一場革新。”
在牛津郡龐大的哈韋爾科學與立異園區，也便是約翰·古德諾夫(JohnGoodenough)簽署協議宣布拋棄他在鋰離子范疇取得重大突破專利的當地，史蒂芬·沃勒（StephenVoller）舉著一塊與飲料杯巨細和形狀相似的碳纖維。沃勒是一位和藹可親的曼城球迷，年近50歲。在加盟首個瀏覽器品牌網景（Netscape）公司之前，他曾在IBM擔任軟件工程師。在公司被AOL收購后，沃勒對筆記本電腦電池續航時刻的約束越來越感到絕望，于是決定采取些措施。
沃勒的第一個主意是運用氫燃料電池來延長電池巡航時刻，但它的波動性證明是便攜式電子產品無法克服的應戰。他說:“讓氫氣經過機場安檢是適當困難的。”然后，經過牛津大學的熟人，沃勒聽說了一些令人興奮的研討，包含功能更像超級電容器的極快充電資料。當電池以化學方法貯存能量時，超級電容器卻可將其置于電場中，就像氣球上的靜電搜集相同。
超級電容器的問題在于，它們不能像電池相同貯存那么多的能量，并且電量會很快走漏出去。假如你不經常運用，鋰離子電池的放電可繼續2周，而超級電容器只能堅持數小時。許多業內人士以為，將超級電容器與電池結合起來，或許對智能手機和其他耗電的消費科技產品有利。海格特表示，超級電容器能夠被用來制作一、兩分鐘內就能充滿電的混合手機，并且還能夠作為備用的鋰離子電池。他說:“假如你能夠十分快速的充電，你能夠把它放在感應圈上，在你拌和咖啡的時分充電。”
沃勒以為，他能夠做得更好。2013年，他創立了ZapGo，該公司正在開發碳基電池，其充電速度與超級電容器相同快，但充電時刻與鋰離子電池差不多。到2017年11月，該公司的職工已增至22人，分別在哈韋爾的盧瑟福德阿普爾頓試驗室和北卡羅來納州夏洛特的辦公室工作。它的第一個消費電池將被用在今年年底推出的第三方產品上，包含用于轎車的助推起動設備，以及充電時刻從8小時縮短至5分鐘的電動滑板車。
沃勒手里拿著的那塊碳纖維是一塊電池，運用了固態電解質，不會著火。兩個電極是由薄層鋁制成的，上面覆蓋著納米結構的碳，用來添加外表積。沃勒說：“你期望它看起來像喜馬拉雅山?！彪m然在顯微鏡下，它更像是城市天際線的輪廓。ZapGo技能的要害在于進步功率和減少漏電量，首要是經過保證電解液無縫地與上面的碳天際線相吻合，就像尼龍搭扣相同。
碳基電池的最大優勢是長壽。由于ZapGo的電池存儲更像氣球，而不是傳統的電池。正如沃勒所說“沒有化學反應”，他宣稱新電池能夠繼續10萬個放電周期，這是鋰離子電池的100倍。即便每天給手機充電，也能夠運用30年。現在的第三代ZapGo電池還沒有強壯到能夠運行智能手機的地步，但由于運用的資料沒有供給添加電壓的障礙，沃勒預計這種電池將在2022年，也便是“iPhone15前后”投入使用。
這需求改變充電基礎設施。許多爆破事件被歸咎于廉價的第三方充電器，而這些充電器沒有阻撓爆破所需的電子設備。對于ZapGo的電池，或許任何根據超級電容的體系，你需求一個充電器來做相反的工作——從電網中汲取和貯存能量，然后在短時刻內把它送到你的手機上。在試驗室里，沃勒的團隊現已制作出了筆記本電腦巨細的電源，但他們正在盡力使它變得更小、更高效。
包含戴森規劃工程學院的薩姆·庫珀(SamCooper)在內的許多人質疑，這些公司是否真的期望在產品中植入能繼續運用如此之久的附件。庫珀說：“手機公司有個清晰的利潤激勵，便是要在下次發布時讓老款設備及時停產。為此，研發更好電池的比賽或許根本不存在。”沃勒供認，ZapGo持有的大約30項專利中，有一種辦法可人為地下降電池的運用壽數，阻撓它們繼續運用30年。他說：“咱們不會這么做，但假如客戶樂意，咱們有能力供給給他們。”
與現有技能比較，碳基儲能技能還有另一個首要優勢。它實際上能夠作為手機外部結構運用。沃勒并沒有規劃出適合當時手機規劃的電池，而是在為柔性屏幕和可折疊設備的未來做準備。在5G網絡下，咱們一切的數據都來自云端，電池續航時刻變得更加重要。
沃勒沿著他辦公室狹隘的走廊走著，走到午后的陽光下，穿過DiamondLightSource的暗影，這是個巨大的環形建筑，看起來像是外星飛船降落在牛津郡的鄉村。在內部，研討人員正在使用加快光束在微觀尺度上對潛在的電池資料進行研討，探求為何鋰-硫電池會失利，以及尋覓替代資料以獲得陽極和陰極，這些問題現已困擾了這個范疇近30年。
沃勒在空中揮舞著他的智能手機，哀嘆著鋰離子電池的缺點，正是這些缺點促使他和其他數百人加入了這場高風險的比賽，以期從頭創造這些絕好卻又存在缺點的電池。他說:“咱們都有必要擬定策略來應對這種情況，不管是背夾式電池，還是帶著兩部手機，這都太瘋狂了，工作不該該是那樣的?！?/p>
上一篇：鋰離子電池隔膜相關標準
下一篇：最適合電動汽車的電池事哪種
