手机电池的发展遇到了什么瓶颈?现在出现了比较靠谱的新技术吗?

跟自己的专业相关,也答一个吧。

其实这题基本上是有标准答案的,深度懒惰者看这里:

电池技术为什么如此高深莫测,以至于一直是手机等相关行业的短板? – 哥淡定的回答 – 知乎

究竟是什么限制了电池的容量? – 陈远威的回答 – 知乎

但是因为最近量产了比较火热的新闻,我觉得有些问题该澄清的还是要澄清。

可能在各位读者看来,这只不过生活中再常见不过的东西了:

商业化的锂离子电池原理也很简单,人尽皆知:锂离子在正负极之间来回穿梭,简称“摇椅”电池。

但是答主却花费了大量时间来研究这个东西(的一部分),甚至电化学这整一门学科也一直贯穿在锂离子电池这个领域,难以自拔。究其原因:系统太过复杂。

但就跨越的学科而言,这个领域至少囊括了以下维度:

1.材料化学

2.固体物理(含结构化学)

3.电化学

4.化工原理

然而因为现在生活方式对于掌上设备是这样的依赖 、软件功能发展是这样的迅速 、互联网上的生活是这样的精彩 ,人们才意识到,花擦,怎么老是要充电?这傻逼扁片怎么这么难伺候?

锂离子电池的能量密度成为了你掌上生活挥之不去的附骨之蛆,a real pain in the ass······

然而,任何事物发展都是有(大量的)时间积累,电池也赫然在列。

熟悉科学史的朋友都知道,在1940年以前,锌锰类(Zn/MnO2)的一次电池牢牢占据着电子消费类产品的市场,直到60年代那会,碱性锌锰电池(Zn/KOH/MnO2)还是消费类的大当家,不过质量能量密度已经可以从40Wh/kg提升到100Wh/kg了,当然,即便是现在,碱性锌锰电池这种一次电池因为自身的低成本,还是能在很多地方得到发挥。然后就是一次的锂/二氧化锰电池(Li/MnO2等等)和锌空气电池(Zn-Air)在70年代的悄然冒头(其实人家也是在实验室内不断成熟完善),直接把质量比能量翻了一倍,提升到了250Wh/kg的水平。再来到80年代,一次的锂/二氧化硫(Li/SO2)和锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池在特殊领域被开发出来,而电池的质量比能量直达380Wh/kg。而事实上,干性聚合物电解质锂电池在80年代业已萌芽,它们的质量能量密度范围大致在220~280Wh/kg内,只不过这个分支一直处在研发阶段而且被视作二次电池,各种缘由就按下不表了。看下图:

截图来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

回过头来,可充电的铅酸电池已经经历了商业化的100多个年头,而其质量能量密度也只是从最初的25Wh/kg渐渐的爬到先今的55Wh/kg,但是因为它具有较高的可靠性、低成本、适中的功率密度、可接受的循环性能等等优势,铅酸电池现在依旧是许多电动设备启动点火程序以及各种备用电池的主要选择。镍镉电池在镍氢电池和锂离子电池主导的90年代以前,一直是许多小型便携式电子设备的主要能源提供者,当然了,因为自身对环境所造成的冲击也导致其后续的市场份额大幅下滑。在80年代的早期,一种可充电式的钠硫电池被开发出来,在300°C的温度下,它能发挥出100~150Wh/kg的质量能量密度。如今,钠硫电池也是为负载调衡所用的大型固定电池的多种选择之一。镍氢电池带着50~80Wh/kg的能量密度轻轻地出现在1989年的市场上,几乎两年之后,它就见到了从索尼公司商业化的锂离子电池,电池的质量能量密度也稳中有升地从90Wh/kg涨到210Wh/kg。

从1950年到2010年这60年间,对于商业化的二次电池,它们的质量能量密度平均是每年增长3Wh/kg ,如下图所示:

截图来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

按照这个增长率,从现有的210Wh/kg(2010年)要达到New Energy and Industrial Technology

Development Organization(新能源及产业技术开发机构,以下简称NEDO)的500Wh/kg和700Wh/kg这两个目视可及的质量能量密度指标,分别需要再过100年和167年,也就是2110年和2177年。更加现实的说,在1990年到2010年这20年间的电储能系统的质量能量密度增长率因为锂离子电池的被发明和改进而被加速至年均5.5Wh/kg的速度,在上图中的实线段中显示。即便是根据这个速度,要达到NEDO的500Wh/kg和700Wh/kg这两个目标也分别要等到2064年和2100年。

在上面两张图内,大家也看到了,电池体系的能量密度以20~30年的区间段为一个稳定增长期,直到下一个新技术出现期为止。

纵观电池发展的历史,电池能量密度的提升往往是突变型的, 采用新型的电池材料体系和结构设计,是可以大幅提高电池的能量密度,然而即便如此,从实验室的创新到产业的研发、开发再到商业化,路途漫漫,因为这中间容不得半点造假和糊弄!

就拿纳米材料来说,确实具备很多的有点,也可以在很多方面提升电池的性能(倍率性能、循环性能等等),然则其界面过大而产生的多重副反应以及其高昂的合成成本必须是企业考量产业化的两个重要指标。

再多说两句,最近一段时间以来,由于电池的重要性提高,新能源的口号响亮,持续有电池能量密度或者超级快充的大新闻出现,很多读者需要有一定的辨别力来去伪存真 。

我先为大家提供知乎上四条非常好的“正三观”答案:

如何解读新闻「中国科学家研制出石墨烯超强电池:充电 7 秒续航 35 公里」?

「世界首款石墨烯基锂离子技术产品于 7 月 8 日在北京钓鱼台发布问世」对电池行业有多大的影响?

石墨烯,尤其是石墨烯电池的未来前景如何? – 弗雷刘的回答 – 知乎

如何看待近日《自然》刊登戴宏杰教授在铝电池上的工作? – 哥淡定的回答 – 知乎

再者,电池体系是由电池材料上进行的主要反应(电子转移反应)综合而成,这也意味着每一种正负极材料的组合都具有一定的理论能量密度的上限 ,然而,因为实际体系中存在的大量的电化学复杂问题,最后的实际能量密度可能会对折甚至更低 ,大家不妨看看,几大类电池中,锂离子电池最常用的钴酸锂(LiCoO2)体系的能量密度实际/理论比是最高的,为58%:

截图来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

由于氟不便于利用,所以没有必要去做锂氟电池,上表中也没有数据,锂空气电池没有数据的问题放到下面再说。

先今的很多方法实际上是对成品中活性物质质量的增加以及电池电极成分比例的改进,以提高体系的质量能量密度,但这种方法也逐渐接近极限(再改的话连着设备和结构也得改),这几年的能量密度增长有减缓的趋势。

来看这个反应:

你可以知道这个反应的吉布斯自由能:

根据能斯特方程的变形,我们可以得到电动势与吉布斯自由能的关系:

除以两个反应物的摩尔质量按照化学计量比的加和可以得到质量比能量:

根据法拉第定律,你还可以得到这个体系的理论比容量:

大家翻翻物理化学下册附录中的电极反应标准电动势,转移电子的数目,可以得到李泓老师他们计算得到的以下体系的理论能量密度:

截图来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

把它们可视化以后,如下图:

目前来看,锂氧电池最具有潜力,但是因为空气电极需要大量的导电添加剂和催化剂 ,能量密度的实际/理论比值肯定没有锂离子电池钴酸锂体系要高,不可能到达58%。另外,对于容量较大的电池来说,还需要包括电池管理系统、线缆、冷却系统、传感器、固定框架或者保护罩 等等,能量密度的实际/理论比值还会显著降低,因此锂氧电池有些虚高的理论比容量其实吓不了多少人。根据李泓老师他们的推测,锂氧电池的电芯的质量能量密度约为500Wh/kg左右。

去年,宝马公司的技术人员在《Journal of Materials Chemistry A》上面撰写了一篇综述,名为“Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective”,个人觉得还不错,他们是从产业的视角来考量现在电池正极材料的趋势(特别是改良的方向),并且按照现在不同的反应机理给出了不同体系的理论与实际容量,理论与实际电压的对比:

图片来自http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/ta/c5ta00361j

很明显的,能量密度也并不是唯一的指标,产业界还需要同时兼具以下性能:

抛去复杂的电化学环境不谈,百尺竿头的今天,对于能量密度的哪怕是一丁点的安全提升都应该是喜大普奔。

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参考资料:

《锂电池基础科学问题(I)——化学储能电池理论能量密度的估算》

Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective

Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

来源:知乎 http://www.zhihu.com

作者:土豆泥

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延伸阅读:

为什么很少有钠离子电池?

18650 电池是什么电池,为什么普遍的评价不高?

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