人类的电池技术为什么停滞不前?

 新萄京仪器仪表     |      2019-12-18 23:40

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问:人类的电池技术为什么停滞不前? 未来什么会取代锂电池?看到有人说人类的未来都被锂电池束缚了,就个人感受上来说,手机电池技术好像也是很多年没事进步了?现在和未来,电池技术会有什么样的进步?

智能手机的进步可以说是日新月异,但是手机电池技术的进步却迟迟看不见成果。快充的出现让拥有智能手机的群体惊喜了一阵子,但还是未能满足我们对手机电量和续航能力的期待。谁不想拥有一部仅需几分钟就能充到满电的手机?电池容量是手机目前的短板,是痛点,也是将来的卖点。

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手机电池技术进步,除了研发快充之外,手机电池材料的选择是第一位的。

我是科技数码随时答,很高兴能回答这个问题

手机电池填充材料的密度等性质决定了手机充电的速度以及电池老化耗损所费的时间。好的材料,可以达到让手机五分钟之内充满电的效果,也可以让手机电池在使用几年之后仍然充电快,用电慢,不会有飞快掉电的现象产生。

人类电池技术为什么停滞不前

最明显的例子,就是手机电池了,现在人最担心的就是手机没电了。谈到停滞不前,十年前手机里的锂电池和现在的锂电池肯定没法比,可十年前手机用的是小的黑白屏,现在手机是5寸以上的大彩屏,以前手机只需要打电话或发短信,现在都是重度依赖,通讯,游戏,社交,娱乐统统在手机上,一天机不离手。

根据搜狐科技的报导,比起现在电池里的石墨,硅胶可能是一种更好的材料。硅胶的能量密度是石墨的十倍,意味着如果现在我们的手机能撑一天,硅胶电池就能让手机顶十天。但是,石墨膨胀收缩的幅度是10%,而硅胶是300%,也就是说,使用硅胶电池的手机将极其容易爆炸

不是电池技术停滞不前,只是人们的需求越来越大

针对这个问题,其实不是电池技术停滞不前了,而本质上是电池技术的进步没跟上电子产品发展的速度,相比现在的电子产品,以智能手机为例,是三个月一小变,大半年就能来个大变,而电池容量呢?始终是那么点电容量,也始终是锂离子电池,所以给了我们电池技术停滞不前的假象。

电池技术的相比几年前已经有了很大的变化,最大变化是内置的材料发生了根本改变,首先在十年前电池普遍是镍镉电池,这种电池有个不好地方就是记忆效应,长期不彻底充、放电,会在电池内留下痕迹,降低电池容量。而现在改用的锂电池则是没有这个记忆效应,所以锂电池是可以做到随充随用的。

其次,存储寿命、耐热性、能量比大的都是锂电池的特点,这几年锂电池的电量都在逐渐进步,使得智能手机的续航在逐渐增加。另外,我们现在的纯电动车所用的电池就是锂电池,像特斯拉的纯电动车是能实现400公里的续航的。

如果想要现在的电池技术发生巨大提升,那么锂电池的电池材料就得更换了,近些年来锂电池的理论能量密度在逐渐接近物理极限。而现在新兴材料应用到电池上都还在实验室中,只有着安全性、成本平衡后生产。

的确,如你所言,在电池方面,目前研究的大有人在,但是能带来锂电池革命性进步的,恐怕几年内很难有人做到,锂电池恐怕还将陪伴人类走很长一段时间。在消费电子领域,以手机为例,现在提高电池的使用时长的方法,还只能是解决CPU、屏幕等耗电上。

为什么呢?

目前,应用于消费电子的锂电池,在负极材料方面大多采用石墨材料,正极方面多是钴酸锂。

锂电池的原理非常简单,就是正极、负极依赖于氧化还原反应,带电的锂离子在电解液中来回穿梭。目前,在消费电子领域,锂电池的正极用料是钴酸锂,负极用料也一直都是石墨。虽然在负极材料方面,石墨烯取得突破性进展,但是无法商业化,因为石墨烯太太太贵了。

所以,要实现电池的革命,就要从正负极的用料上做文章,要找到比石墨和钴酸锂更好、更便宜的搭档才行。而这一过程,需要不断的尝试,就像当初爱迪生发明灯泡一样,需要的不是智慧,更多的是运气了。

所以,目前业内人士对锂电池的进步也都持有比较悲观的态度。

当然,既然锂电池的处境这么尴尬,人类也在想如何跳过锂电池,寻求一种全新的电源解决方案。

现在比较热门的一个是无线充电,一个就是超级电容,还有一个是核电池(就跟钢铁一样滴)。

先说核电池,现在已经不是什么黑科技了,技术已经比较成熟,早在2006年,中国原子能科学研讨院就研制出了我国第一个钚238同位素电池,给探月工程准备的。

还有,核动力心脏其实也都研究出来了,但是呢,很遗憾的是,核能电池虽然技术已经日渐成熟,但还是太太太贵了。

再说超级电容。超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置功率密度高、循环寿命长、安全又可靠,现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域。但缺点就是,超级电容本身能量密度低,体积都比较大,什么时候能迷你化,那电池的革命也就来到了。

还有无线充电,其实它的普及也许就在一夜之间。毕竟,它所耗费的电能并不多,只是这个商业模式如何建立,目前还不确定。苹果已经开始采用这一技术,总体来说,无线充电是距离我们最近的一项技术了。

电池技术是有进步的只不过非常小,想要发生革命性改变并普及,目前来说是不可能的。

拿手机举例,目前市面上的手机电池基本都是锂电池,因为锂是所有金属中电位最低的金属,用锂作负极产生的额定电压较高,锂离子电池能够具有较高的能量密度,单位重量的情况下锂电池的能量是铅蓄电池的5倍以上,并且锂元素不是重金属,对环境造成的污染非常小,自身逃电率低、重量轻和使用寿命长,都是其它电池无法比拟的,目前也没有找到比锂电池更适合大面积使用的电池。

想要增加手机的续航能力,那就要想办法增加锂电池的能量密度,但能量密度和锂元素本身有很大的关系,在锂元素不变的基础上,科研人员只有不断更换电解液和正级材料才能勉强将电池的续航能力提高一点点,每年的进步只有3%左右。照理来说,每年进步3%,这十几年应该也有很大进步了,但实际上电子产品的更新换代更快。芯片里的晶体管都是纳米级的,晶体管越做越小,芯片的处理能力一直在提高,芯片的运算能力一直在变强,那么耗电量就更大了。所以看起来好像是电池技术没有什么进步,但其实已经进步不少了,只不过芯片进步更快,将电池技术的进步抹平了。

之前有报道石墨烯电池是未来最具有潜力的电池,它的能够承受上至100摄氏度,下至零下50摄氏度的温度环境,稳定的充放电次数也比锂电池要多,放置在火中也不会爆炸,续航能力比锂电池更强等。 现实情况是,石墨烯是没办法量产的,而且生产制造难度较大,成本也较高,不少学者认为石墨烯的报道都是出于某种目的,夸大虚假的宣传,泡沫太大了。网上的很多黑科技电池,号称几秒钟充满电,或者比锂电池更牛的电池,这类电池都是非常不安全的,容易爆炸,无法量产。

人类电池技术一直在发展,但发展速度赶不上新科技对电量消耗

最明显的例子,就是手机电池了,现在人最担心的就是手机没电了。谈到停滞不前,十年前手机里的锂电池和现在的锂电池肯定没法比,可十年前手机用的是小的黑白屏,现在手机是5寸以上的大彩屏,以前手机只需要打电话或发短信,现在都是重度依赖,通讯,游戏,社交,娱乐统统在手机上,一天机不离手。

现在常用的锂电池已经是很成熟的技术

锂离子电池都已经应用了20年了,靠锂离子通过电解液在钴酸锂正极和碳负极间运动来实现充放电,基本原理很清楚,电池性能的进步空间有限了。最新的研究也都是开发出新型的正负电极材料,实现稳定的充放电循环,但科研进展报道的很多,但涉及到商业化应用,最大的问题就是制备成本过高。

当前也有一些石墨烯电池的研究和报道,更多的是炒作石墨烯的概念

例如,现在有一些石墨烯电池的研究和报道,但更多的是对石墨烯的概念炒作,他们也只是把石墨烯这种明星材料少量的添加到锂离子电池中去,算是掺杂了石墨烯的锂离子电池。石墨烯在电池里或者增加电解液的导电性用,或者直接掺在负电极材料中,有很多高性能的类似报道,然而综合性能也难以实现突破,受限于石墨烯材料的价格和制备工艺,短期也没法实现纯石墨烯电极的应用。

电池技术肯定一直在进步,期待有新鲜的技术能把电池技术突破,至于有些回答谈到核电池,这目前还不是民用的选择了。

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其实电池技术没有停滞不前, 只是进步不够明显。

最近40年,芯片技术疯狂发展,数据显示18个月就能翻一翻,电子计算机从最初的5000次/秒进步到现在太湖之光12.5亿亿次/秒。而便携式设备的发展同样让人兴奋,手机、智能手表、游戏主机、蓝牙耳机……哪一个不是需要电池加持。

相较之下,锂电池发展就显得有些慢了。使用量最大的锂电池——18650圆柱形电池——10年前最大容量仅有2.6Ah,现在进步到3.6Ah,进步幅度在30%,平均每年3%。

材料不断更替,也让锂电池不断进步,电压经历了4.10/4.20/4.35三个阶段,碳性干电池也变成了碱性电池,放电得到改善;铅酸蓄电池换作铅钙电池,不需要定期加水;镍镉电池换作了镍氢电池,容量20年内翻了2番,500mAh涨到了2000mAh。

更主要的是,这些改进让锂电池的安全性能不断提高,爆炸事故日趋减少(但也不是没有)。

这些进步按道理算不得缓慢,只是比起电子设备这些时代产物,还是稍逊一筹罢了。

图:广州旧时电池厂为了改进电池,材料更替自然是一大方向(后文补充)。但也有其他的技术手段。

例如近年手机充电的潮流,快充,从10W提升到18W,用充电速度弥补电量问题。一些我们不曾注意到,例如手机在变薄、功能在提高,相对的屏幕就越来越大了,电池才能跟着变大,电容量才能提高。

又或是无线充电技术、wifi充电技术,或者智能省电程序,这些都算是另辟蹊径。

本质上,锂电池还是锂电池,对于电池研发的工作人员而言,确实是一件揪心的事,试想难得一项成果出来,电池效率提高7%~8%,不错了吧?呵,隔壁CPU性能翻了一倍。

材料更替方向上,最大的问题可能就是贵了吧。

不管是核电池还是石墨烯电池,价格都不适合民用,还有一些像空气电池这样的乌托邦技术,也算是一种希望吧。

总之现在的电池技术确实是科技的绊脚石,但实话说,更多是局限了民用级别的发展。

反正现在充电频繁也不是坏事,不是吗?

硅胶手机电池技术有待加强,在克服爆炸问题方面还有漫漫长路要走,那么,使用其他材料呢?

一楼说到了无线充电技术,恰好我在这方面有一些了解,无线充电技术看似技术比较成熟,但是实际上还是无法解决一个问题:能量损失与充电效率的问题。

理论上,能量在传播的过程中无可避免的会损失,其中,固体的传播损失最小、液体其次,空气最差。所以所谓的无线充电从根本上是无法解决这一问题,即使技术有所突破和提高,只不过是损失多少的问题,但是随着传输距离的增加,损失将会越发增加。这是能量守恒的定理所决定的,所以无线充电只不过是看似具有前景,实际上不过是海市蜃楼罢了。

但是,如果同时满足以下两种情况,会使得无线充电不再是海市蜃楼:

1)充电速度的提升;

2)电的价格变得非常低;

实际上,当充电速度变得非常快的时候,无线充电本身的价值也就不高了(所以,直接解决充电速度的问题才是未来电池技术发展的关键)。