限制我們對智能產品想象力的，不是屏幕、相機，而是電池
報道將來，辦事新糊口引領者。
無論是最新條目的華為 P30，仍是我的諾基亞 3310，它們在完全沒電后，城市釀成同樣的一塊磚頭。
天天給手機充電已經是一種糊口習慣，這個慣性動作的背后，其實是電池手藝并未跟上智能硬件產物成長速度的一種表示。
▲ 電動車內電池組的單節電池
事實上，鋰離子電池被大規模貿易應用的汗青并不長。現在我們距離鋰離子電池在硬件產物上的第一次爆炸事務，才僅僅曩昔了 30 年，而造當作那次悲劇的「鋰枝晶」此刻依然是電池研發人員的惡夢。
慢充保壽命，快充省時候的鋰電池
從口袋里的手機，到桌面上的電腦，再到路上跑的電動汽車，鋰離子電池都是是此刻絕大部門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」的金屬特征，密度低到 0.534g / 立方米，原子質量小到 6.9u，是以它是一種質量很輕而且極易與外界發生反映的金屬。
鋰電池的工作道理是這樣的：
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從頭跑回到正電極。鋰離子可以看做載著電荷的小車，在化學反映的過程中形當作電流供電。
電池快充就是讓鋰離子移動的速度加速。為了實現這個結果，不僅需要恰當改變充電電壓，還需要對鋰離子移動的路徑，也就是電解質進行改良。
電池的一個主要的指標就是「能量密度」，可以理解為：
每公斤的物質最多可以或許攜帶的能量。
▲ 一個充電周期，圖片來自蘋果官網鋰離子電池介紹頁
別的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%，就是完當作了一個充電周期。顛末必然數目的充放電周期后，任何類型的電池容量城市變少。
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，可是這些車隊在充放電的往返過程中并不會規端方矩、整整潔齊。
▲ 鋰枝晶
它們會在出門的時辰把車庫撞壞（引起布局轉變），也會在返回車庫的時辰幾輛車一路把車庫的門堵住，引起塞車，當這條車龍達到必然的長度，就會讓電池發生短路和爆炸。這條車龍就是「鋰枝晶」，現在的車龍依然存在，只是因為手藝前進獲得了緩解。
鋰電池商用的汗青，索尼是一個里程碑
在消費電子產物起頭起飛的年月，廠商急需一種簡便、大容量，又能輪回充放的電池。這種火急讓電池制造商和產物廠商輕忽了「鋰枝晶」的風險。
這就要說到鋰電池制造商先烈——加拿大公司 Moli Energy。這家公司在 1985 年推出了一條目 AA 型鋰電池，能量密度跨越 100Wh/kg，當作為那時炙手可熱的當紅炸子雞，并在 1989 年推出第二代鋰電池產物。
這家公司出產的鋰電池被率先用到日本聞名計較機設備制造商 NEC 的電腦，和日本電信德律風公司 NTT 的德律風中。悲劇的是，利用了新電池的產物在 1989 年春天發布后，隨之而來的是產物呈現起火爆炸的平安變亂。
電子產物變身易燃易爆危險品，在那時的日本激發發急。最后 Moli Energy 不得不頒布發表全數召回已售產物，并補償受害者。1989 年末，Moli Energy 在破產之際被 NEC 收購。
▲ 2017 年 NEC 把電池營業出售了， 圖片來自：新浪科技
NEC 按照 Moli Energy 原有的制造體例從制造了 50 萬個電芯，對每一個進行缺陷檢測。接著，把這些電芯組裝當作電池，安裝在手機上，用了約一年半的時候進行了 5000 次充放電輪回。
NEC 在這個大型測試中發現幾乎所有手機電池都呈現了故障，從電池容量急劇衰減到爆炸。面臨這樣慘烈的成果，NEC 只能頒布發表永遠拋卻將金屬鋰作為負極用作可充電池的手藝方案。
▲ 索尼的電池營業在 2017 年也賣失落了
索尼從上個宿世紀 80 年月起頭就與日本石化巨子朝日化學合作研發可充電電池。直到 1990 年 2 月，索尼頒布發表推出它的第一塊商品化鋰離子電池，這是電池工業上的一個里程碑。
索尼的這條目「18650 圓柱型電池」最初是為 CCD-TR1 8 毫米錄像機設計制造的，電池容量為 1000-1300 mAh。憑借這項電池手藝，索尼在消費電子產物范疇百戰百勝，而且當作為全球電池市場上最受接待的供給商之一。
然而在 1995 年，索尼在日本福島的鋰離子電池工場發生大火，跨越 100 萬電池被燒，而且再次在社會引起發急。
顛末調查，電池工場起火原因是電池老化和充放電嘗試室的托盤材料沒有阻燃性，這導請安外發生的火花在溢出后，敏捷舒展點燃了工場。而之所以嘗試室托盤材料不外關，是因為工場要降低當作本。
后來索尼顛末與東京消防廳的艱難交涉，才沒讓鋰離子電池被列為危險品。之后索尼為本身的電池工場成立了加倍嚴苛的平安測試及保障辦法。
▲ 針刺測試示意圖
此中包羅一個「針刺測試」，布滿電的電池放在一個平面上，用直徑 3mm 的鋼針沿徑標的目的將電池刺穿。測試電池不起火、不爆炸則為經由過程測試。
經由過程「針刺測試」的手藝太難了，國際電工委員會（IEC）的電池檢測尺度中就沒有包含該項測試。本年 3 月初，工信部官網發布《電動汽車用動力蓄電池平安要求》等三項汽車行業強制性國度尺度中，「針刺測試」也被打消了。
不外一向被電池虐的索尼，在 2017 年把電池營業也出售了。
以電動車為例，電池面對的三個問題
▲ 特斯拉超等電池工場內部
我們距離鋰電池正式大規模商用才不到 30 年，今朝最風行的鋰電池屬于鋰離子電池。有統計顯示，鋰離子電池的機能和價錢演進速度正在放慢，這個趨向很有可能會在將來影響電動汽車的大規模出產。
一位從事電池研發多年的手藝人員 Tiger 告訴愛范兒，現階段電池的手藝瓶頸本家兒要在能量密度、輪回壽命和溫度特征三個方面。
換個角度，電動車里電池面對的問題本家兒要有三個，別離是：
- 里程焦炙
- 平安問題
- 當作本問題。
起首，「里程焦炙」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，因為鋰電池一般城市摻雜其他物質，再加上正負極材料的影響，是以今朝工業出產的鋰電池能量密度遍及在 150-300Wh/Kg。
因為需要考慮電池材料在利用過程中的不變性，是以沖破 300Wh/Kg 的電池制造手藝只有少數廠商可以做到，好比特斯拉就在此中。
比來 20 年來商用電池的研發根基都沒有太大的沖破，在化學電池這個范疇里，若是人們找不到可以或許替代「鋰」的新材料，根基上電池能量密度也沒有沖破的指望。
也就是說，包羅手機、無人機、電動車在內利用鋰電池為本家兒的智能產物，在半斤八兩長的一段時候內，電池的單次續航依然會較著受到限制，只能經由過程增添充電次數、加速充電效率等體例來解決。
其次是平安問題。
▲ 三星 Note 7 手機昔時因電池爆炸被平易近航禁運
電池依然是一個易燃易爆的懦弱事物，坐飛機時電池不克不及托運只能隨身攜帶就是此中一個表示。
汽油車起火時，人們往往還有逃生時候，但若換當作是電動車電池起火，根基是剎時被火海覆沒，車內助員生還的可能性比汽油車低得多。
別的，高溫狀況下，電池內部的化學物質輕易分化，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當作本問題。
為了讓鋰離子電池在利用時加倍不變平安，電池內部會添加各類化學物質，可以做到改善電池的溫度特征、增添電池倍率等。這些物質包羅鈷、鎳和其他罕見金屬。
▲ 礦石開采難度與價錢，圖片來自：
這些罕見金屬在地球上的儲量很有限，開采的難度也比力高，跟著電動汽車電池的需求量日益增加，罕見金屬原材料的價錢也水漲船高。
▲ 有網友曾拆解 Model 3 的電池
《天然》雜志曾統計，估計到 2025 年，全球每年出產 1000-2000 萬輛電動車，按照每個電動車電池需要 10 公斤的鈷，那么屆時的電動車行業每年需要 10-20 萬噸的鈷。然而這個需求量已經是今朝宿世界鈷產量的大部門。
鋰離子電池的短板太多，電池手藝在比來二十多年來根基是在遲緩前行。《天然》雜志的展望是：
我們距離鋰電子電池革命僅剩下年
電池研發半斤八兩耗時，能用的新手藝都在用
電池研發是一件半斤八兩花費時候的工作。好比研發人員電池的某個部門進行改良，那么就需要進行大量的充放電嘗試來驗證結果。
每一次充放電都是需要花費時候和資本的。為了讓電池研發人員可以更好地對電池殘剩充放電次數進行展望，斯坦福大學、麻省理工學院與豐田研究所配合建立了一種人工智能可以用來展望電池的機能和壽命。
這個算法經由過程進修上億次電池充放電的數據，是以可以或許在收集單個電池五次充放電周期的數據后，展望電池的殘剩壽命，準確率為 95%。這項人工智能手藝估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現之一，它改變了良多電子產物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利用消費電子產物的體例。跟著電池手藝的晉升，手機上的電池已經逐漸不消拆換，出門帶上一塊充電寶就釀成一件理所當然的事。
就今朝而言，鋰離子電池雖有諸多不足，但它依然是消費電子產物最好甚至是獨一的選擇。
在曩昔，有良多電子產物都是靠堿性干電池、紐扣電池供電續命，那時的用戶可能沒有想象過，裝著高機能鋰離子電池的產物會是如何的。
現在我們所利用的電子產物，也被電池手藝的遲緩成長束厄局促，你可能沒有想象過一部 iPhone 充一次電可以正常利用一周的場景。我想這樣的手機遇被賣瘋吧。
- 發表于 2019-04-02 22:34
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