智能手機時代另外一個產業火爆了起來移動電源因為手機本身的電池不夠用隨便玩玩半天就沒電的手機現在到處都是說白了就是實際上能滿足待機需求的手機重量應該是你的手機加上你的移動電源可是沒人想帶著磚頭一樣的產品吧?這是歷史的倒車但是理想的電池在哪里呢?

所有的電池其實都是電化學反應在初高中的化學課本里我們使用的是銅棒和鋅棒放入盛有稀硫酸的燒杯里面這時候如果用電線接通銅棒和鋅棒里面就有電流通過也可以用萬用表來測量這個比較微弱的電流

電池大戰正酣 突破性技術有多遠

上面所說的就是原電池今天的所有電池在本質上依舊離不開陰極陽極以及氧化還原反應上面圖片里面的原電池就是鋅失去兩個電子而銅得到兩個電子

可能有一些宣傳會這樣說某某科學家發明了新電池技術XX秒就可以充滿電!拜托這種幾秒就能充滿的是電容不是電池!電容和電池的區別在于電池是用化學反應來儲存釋放電而電容則是電勢差并且電容的單位是法拉第我們常見的電池充電器一般用安培時間來標注容量電容的特點是可以很快速的充電但它和電池是兩碼事超級電容目前只在公共汽車等環境可以使用充電電流高達200安培iPad是2安培左右但是充電后的續航只有幾公里超級電容只是研究的一個方向距離替代今天的充電電池還需要走的路很長

對于現在的人們來說智能手機好用待機短成了所有人的心病而現在的解決辦法竟然是要去解決處理器的功耗而不是提升電池那么電池到底瓶頸在哪里呢?

先了解能量密度

能量密度是個非常有趣的概念它有兩個不同的表現形式因為不同的電池使用的材料不同自然物理密度也就不一樣所以有瓦時/公斤與瓦時/升兩種不同的表現形式對于普通的手機來說肯定更關注后面的參數因為手機內部空間有限尤其是最近手機企業都在拼命把手機做的很薄

但是到電動車上又是一種情況電動車的空間相對寬裕但是如果電池原材料如果密度過大顯然會讓很多功做在了運輸電池自身上而對于要飛起來的無人機等重量的意義就更為明顯

對于能源我們最熟悉不過的就是汽油那么汽油如果完全燃燒它的能量密度是多少呢?現在的估算大約是12000瓦時/千克這是個非常大的數字由于汽油機做功效率比較低所以我們的油耗一直不算太低

那么我們的鋰電池能量密度是多少呢?常用的鋰離子電池大約范圍在150-250瓦時/千克鋰聚合物的密度大可以達到300瓦時/升對比汽油完全不在一個數量等級上差了百十倍當然也不能說沒有進步隨著工藝和材料的改良我們常用的鋰電池密度其實是在逐步提升的甚至對比十幾年前的初代產品鋰電池是1991年由索尼開始量產已經翻了幾倍但是對于今天的智能手機用戶來說他們希望的是十倍的提升也就是充電一次可以用一周左右能恢復到之前功能手機的電池續航能力即可

電極的材料

電池反應容易但是我們生活周邊的各種電池很多而且有著不同的用途比如汽車用來啟動也是很多采用的鉛酸蓄電池它的特點就是啟動的時候電流特別大這對于內阻大的電池來說就是噩夢所以現在的車用蓄電池的內阻就非常小適合這種大電流放電

所以針對不同的應用場景要尋找不同的電池材料他們的輸出電壓電流內阻可循環次數等等都是要考量的指標以手機平板等設備為例我們用的電池都需要能夠承受數百次上千次的充電循環然后再性能劣化所以我們現在用的鋰離子鈷酸鋰鋰聚合物電池都適合做手機或是移動電源的充電設備并且它們的輸出電壓3.6V也有利于直接驅動IC

而我們常見的鎳氫電池比如松下三洋著名的愛樂普就是改進了自放電的表現充滿電放一年依舊有80%以上的電量所以很受歡迎并且也可以循環多次可為何手機上不用鎳氫電池呢?這是因為鎳氫電池的電壓只有1.2V所以如果要達到3.6V就要三塊串聯顯然要比現在的鋰電池需要更多的空間而容量上兩者又差不多

電池放電要求材料具有高儲能密度并且在多次循環充放電這個過程中依舊保持很高的容量并且最好有利于工業化生產這樣的材料有嗎?

燃料電池已然在路上

燃料電池的在路上是真真正正的在路上豐田今年正式發布了氫燃料電池汽車Mirai與純電的特斯拉一樣豐田公開了汽車用氫燃料電池的專利其它車廠可以免費用此舉旨在擴大氫燃料電池的市場

在技術原理上氫是消耗品作為燃料電池的反應動力來源豐田的Mirai帶有個超高壓氫氣瓶可以攜帶5公斤氫續航能力能達到600多公里平均每公斤氫的續航為100公里以上之前寶馬也有氫燃料汽車H7同樣背著氫氣瓶不過寶馬的方案里面有發動機氫氣是燃燒氣體做工與傳統的汽油機類似;豐田的則不一樣氫是參與燃料電池反應發電電池提供113千瓦的電力給電動機驅動汽車前進當然作為清潔能源氫的反應結束之后只有一種產物水不污染環境

氫燃料電池當然好但是這只能給車用手機用戶肯定不可能帶著碩大的燃料電池以及高壓氫氣瓶而很多其它材料的燃料電池很難回避的問題還是材料依賴鉑這種貴金屬并且對空氣要求高一來昂貴二來也不現實前幾年北京弄了兩輛材料里面有鉑的氫燃料電池公交車在郊區行駛兩年試驗其中有一臺一年就燒了六次動力單元廠家的理由居然是北京空氣不行含硫氮化合物太多PM2.5太高試驗只能草草了之

IBMBattery500偉大計劃

2009年IBM設立了一個電動汽車動力相關的計劃Battery500顧名思義就是想通過研發獲得讓汽車一次充電續航超過500英里800多公里的能力

IBM的研究重心是鋰-空氣電池這也是現階段汽車動力的重點方向不僅僅IBM全世界都在研究鋰空氣電池這種電池的原理不復雜就是活潑金屬鋰和空氣中的氧氣反應放電但是這個過程中不是生成固體的氧化鋰而是通過溶液生成液態的氫氧化鋰在反應的過程中空氣中的氧氣相當于無限提供而鋰則作為消耗品有點像我們家用電熱水器里面的犧牲陽極

鋰空氣電池的理想狀態是增加續航不用充電只要更換反應用的溶液和金屬鋰即可溶液里面的氫氧化鋰可以很容易的電解還原再得到金屬鋰循環利用相當于電廠充電汽車端只需換鋰和電解液做電極就行可以超高速的實現續航

另外一個關鍵是鋰空氣電池的能量密度極高對于今天的電池是指數級別的提升說白了就是如果研發成功續航的噩夢就不復存在因為空氣中氧氣的供給是無限的所以理論上鋰空氣電池容量可以無限大但是鋰空氣電池的現實是骨感的實際的產品容量不高并且現有的方案的化學反應研究也不夠透徹都發生哪些反應怎么反應的都搞不清楚所以研發還需要很多年才能真正的產業化目前除了IBM包括日本旭硝子之類的高技術企業也都加入了這個計劃

鋰空氣電池也難以小型化目前看只能是汽車用手機用不了并且能上路的車起碼要等到2020年

手機的希望鋰硫電池?

說一千道一萬現在有希望應用在手機上的高能電池是什么?因為前面說的電池基本都是作為動力電池應用在汽車上面多很難小型化而我們常用的手機電池基本都是鈷酸鋰電池因為現在鈷酸鋰電池的優點很多比如相對安全耐循充放電循環工作溫度范圍廣等等即便是鋰聚合物電池鈷酸鋰也應用很多

但是問題是從1991年索尼開始量產到今天鈷酸鋰電池的密度提升有限也就是扛不住現在的手機對電池的消耗我們需要在現有體積上容量更大的電池來支持智能設備的續航而這現在是全世界的軟肋并且鈷酸鋰電池的主要原料鈷本身并不算地球上富集的元素價格也在逐年上漲

目前基于鋰金屬的電池材料方案當中研究的比較多的是鋰硫電池硫和氧是同族元素所以鋰硫電池的反應有點類似鋰空氣電池但是最大的不同是硫是固體并且在理論上鋰硫反應的能量密度非常高有望把現有鈷酸鋰電池的能量密度提升一個數量級達到接近2000瓦時/公斤電壓1.5V-2V

鋰硫電池的反應很簡單就是2個鋰與一個硫結合形成Li2S鋰失去兩個電子但是問題同樣非常多除了鋰和硫本身活潑的屬性之外很大的問題是硫和硫化鋰的密度差距很大這樣導致在反應的過程中有膨脹并且硫本身導電性很弱也不利于充分利用反應物現在的辦法是炭做載體關于鋰硫電池的研發投入非常大但是至今也沒有工業化的希望很多實驗室里得到的結果甚至連重復實驗都很難做到因為反應很復雜而反應的雜質有什么影響也搞不清恐怕能全部搞清楚也要段日子

當然除了上面說的幾個熱門電池也有進行其它前沿研究但是研究的深度還不如上述的電池材料這種全世界研究十幾年得不到結果的狀況在電子設備上不多但是到電池這里已經卡住很多年了參與研究不是幾個企業而是幾乎全世界的科研機構公司都想取得電池突破但是都無功而返

絕望只能繼續忍受如果你覺得自己是那個幸運兒并且足夠聰明應該從事電池的研究只要新的可行充電電池專利是你的財富躋身世界前100應該問題不大因為現在全球每年投入到電池研發上的資金加一起恐怕已經足夠將一個人送上富豪榜前列了而作為普通消費者恐怕依舊要繼續忍受我們目前不給力的電池并且不知道什么時候會有突破或許十年二十年而這種材料科技正是一個國家科學研究能力的體現

電池大戰正酣鹿死誰手未知