電池的作用可是眾所周知的，小到電子表、隨身聽(tīng)，大到汽車(chē)衛星都離不開(kāi)電池。但是相比其他科技領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)，電池技術(shù)的發(fā)展比較緩慢。

 

　　1、鋰電池誕生時(shí)間與原理

 

　　1991年，索尼推出首個(gè)商用鋰電池，鋰電池沿用至今并稱(chēng)為主流的電子設備電池技術(shù)。由于鋰離子是最輕的堿金屬元素，擁有著(zhù)更小、更輕、能量密度更高的特性，所以迅速取代了鎳電池。

 

　　鋰電池構成物質(zhì)中有磷酸鐵、錳、石墨、鈦酸鹽等其他金屬和非金屬材料，但要靠著(zhù)“鋰離子”這個(gè)元素在正、負極中的嵌入與脫出，才可實(shí)現電能與化學(xué)能的相互轉化，最終完成充放電過(guò)程。

 

　　從1991到2015年，電池技術(shù)并非沒(méi)有進(jìn)步，只是發(fā)展緩慢。目前鋰離子電池在能量密度、高低溫特性、倍率性能上，都遠遠高于鉛酸、鎳氫電池，但還是難以滿(mǎn)足快速增長(cháng)的電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)等的需求。

 

　　2、增加電池容量的兩種方法

 

　　想要提升鋰電池續航能力的本質(zhì)方法只有兩種，一是增大電池體積以擴充電量，二是在有限的體積內增加密度來(lái)獲得長(cháng)能效。第一種方法現在用在特斯拉電池汽車(chē)上，拆掉特斯拉的外殼，底下是密密麻麻的7000多節18650電池，重量為700kg，接近車(chē)總重的三分之一。

 

　　第二種方法則是經(jīng)常被用在了手機上，由于手機體積有限，不可能無(wú)限制往里面塞電池。不過(guò)經(jīng)過(guò)研究人員的努力，手機電池的密度還是有了很大的提升，高能量比的負極材料的應用，已經(jīng)讓單位體積的手機電池容量提升了一倍。

 

　　3、目前手機電池面臨的短板

 

　　隨著(zhù)智能手機的發(fā)展，更大更高分辨率屏幕、大量手機APP、更快的Soc等耗電大戶(hù)，加劇了電池電量的消耗速度。如果要想徹底解決手機續航問(wèn)題，既要增加電池體積又要增加電池密度，雙管齊下才能效果顯著(zhù)。

 

　　但很無(wú)奈的是，目前手機正望著(zhù)輕薄方向發(fā)展，想擴大電池體積不大可能，增加電池能量密度是唯一的辦法，電池密度的提升就如同一塊體積有限的海綿來(lái)吸水，從50%-90%的提升不難，但想要從90%-100%就不很容易了，因為已經(jīng)快飽和了。

 

　　不只是用戶(hù)關(guān)心，電池廠(chǎng)商們也都在花功夫研究，畢竟這是一個(gè)“人無(wú)我有”的大賣(mài)點(diǎn)。誰(shuí)都知道續航是軟肋，但無(wú)奈效果并不理想。所以說(shuō)，鋰電池提升效果不夠明顯不是我們毫無(wú)作為，而是對現有鋰子電池性能的利用率已經(jīng)接近能達到的極限了。

 

　　4、未來(lái)電池技術(shù)的發(fā)展方向

 

　　既然在鋰電池技術(shù)遇到瓶頸，人們就想到了一些另辟蹊徑的辦法，間接的有效解決了用戶(hù)對續航的需求，移動(dòng)電源就是一個(gè)很好的例子。不過(guò)我們今天說(shuō)的不是這個(gè)，而是快速充電。

 

　　快速充電技術(shù)就是近年涌現出來(lái)的一種解決途徑。既然電池體積受限密度又不能再增加，那就縮短充電時(shí)間，通過(guò)這種逆向的方式來(lái)達到相對延長(cháng)電量的結果，雖然討巧但確實(shí)也有效。

 

　　未來(lái)電池的4大發(fā)展方向：

 

　　隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的浪潮席卷全球，各大車(chē)企紛紛發(fā)力布局。受政策補貼刺激，中國電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)的增速均超越美國和歐洲，成為全球最大的市場(chǎng)，自主品牌乘著(zhù)這股東風(fēng)也得以蓬勃發(fā)展。因此，在2016年上半年全球電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量排行榜上，有9家自主車(chē)企進(jìn)入前20名，比亞迪更是以巨大的優(yōu)勢成為銷(xiāo)量冠軍。

 

　　電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，與續航里程和充電時(shí)間密切相關(guān)。目前大部分的電動(dòng)車(chē)都在采用鋰離子電池，比如采用磷酸鐵鋰電池的比亞迪E6、三元鋰電池的特斯拉Model S和錳酸鋰電池的日產(chǎn)聆風(fēng)。電池技術(shù)百花齊放，例如以下的四大技術(shù)，就是未來(lái)重要的發(fā)展方向。

 

　　納米鋰電池：充電時(shí)間大幅縮短

 

　　技術(shù)發(fā)展使得電池容量不斷擴大，但隨之而來(lái)的是充電時(shí)間的延長(cháng)，對充電速度也有了更高的要求。目前的主流電動(dòng)車(chē)的慢充時(shí)間在5到10小時(shí)之間，快速充電能在1到2小時(shí)內充滿(mǎn)，但長(cháng)期使用會(huì )影響電池壽命。而世界上最快的特斯拉超級電站，僅需40分鐘就能充電80%，但這和納米鋰電池一比就不算什么了。

 

　　新加坡南洋理工大學(xué)發(fā)明了一種基于納米管的新型電池，能在2分鐘內充電70%，其使用壽命長(cháng)達20年。傳統的鋰電池無(wú)法快速充電，主要出于石墨電極的安全考慮，在工作時(shí)電極表面會(huì )形成電解質(zhì)膜，減慢鋰離子的運輸速度。但南洋理工大學(xué)采用二氧化鈦納米管凝膠來(lái)替代石墨，能讓化學(xué)反應加速，進(jìn)而縮短充電時(shí)間。但由于工藝復雜，成本較高，這項技術(shù)要普及恐怕還需要好幾年。

 

　　鋰空氣電池：蓄電量倍數提升

 

　　鋰空氣電池的最大優(yōu)點(diǎn)是能量密度高，目前的鋰離子電池能量密度只有 Wh/kg左右，而現有的鋰空氣電池已經(jīng)達到500 Wh/kg，理論上的極限是12k Wh/kg，還有極大的提升空間。IBM公司很看好這項技術(shù)，發(fā)起了“電池500”的項目，也就是將續航里程提升到500英里(即800公里)。

 

　　鋰空氣電池的正極是多孔導電碳，負極為鋰電池，為了讓鋰離子和空氣充分接觸，特意將電池內部結構設計得像人體肺部一樣，來(lái)加大與空氣的接觸面積。這種電池的充/放電效率較低，而且穩定性也是一大難題，在實(shí)際應用中可能會(huì )發(fā)生短路爆炸。最早看到它應用在電動(dòng)車(chē)上，估計要等到2020年。

 

　　固態(tài)電池：更輕便，更安全

 

　　傳統鋰電池采用液態(tài)電解質(zhì)，而固態(tài)電池原理相同，只是將電解質(zhì)換成固態(tài)——通常是金屬混合物。這樣設計的好處是讓更多帶電離子聚集在一起，傳導更多的電流，同時(shí)有效減少電池體積和重量，安全性更出色。因為液態(tài)電解質(zhì)在高溫下會(huì )發(fā)生副反應，容易產(chǎn)生爆炸，而固態(tài)電池就不會(huì )有這問(wèn)題。

 

　　雖然固態(tài)電池全方面改良了鋰電池，但特斯拉CEO馬斯克并不看好它，因為它生產(chǎn)成本實(shí)在太高，短期內難以下降。正因如此，許多資金匱乏的新創(chuàng )公司或者破產(chǎn)，或者被收購。目前最接近量產(chǎn)的Sakti3固態(tài)電池就已經(jīng)被戴森公司接手，戴森最近宣布投資14億美元來(lái)建立電池廠(chǎng)，這場(chǎng)豪賭能否讓固態(tài)電池盡快普及?仍有待觀(guān)察。

 

　　半固態(tài)鋰液流電池：生產(chǎn)成本更低

 

　　在此領(lǐng)域最領(lǐng)先的莫過(guò)于蔣業(yè)明教授開(kāi)創(chuàng )的24M公司，半固態(tài)鋰液流電池可以說(shuō)是對液流電池的改進(jìn)，它的電極由鋰化合物粒子和電解液混合而成，電極厚度比傳統鋰電池增加5倍，既提升了能量密度，又減少80%的“非活性”材料，從而降低了材料成本。

 

　　同時(shí)這種設計還免去了干燥這道工序，意味著(zhù)可以撤掉不必要的生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)時(shí)間也得到壓縮。據推測，到2020年每千瓦時(shí)容量的成本將降到100美元以下。這項技術(shù)顛覆了傳統思路，但也意味著(zhù)現有生產(chǎn)線(xiàn)和工藝不適用于它，所以24M公司仍處于摸著(zhù)石頭過(guò)河的階段。

 

　　除了以上這4項技術(shù)，還有泡沫電池、鋰硫電池、石墨烯等也引起了廣泛關(guān)注，大部分都處于研發(fā)階段，還很難說(shuō)哪種電池會(huì )成為下一代的主流產(chǎn)品。百花齊放雖是好事，但也造成了研究資金的分散。

 

　　研究機構Lux Research數據顯示，在過(guò)去八年，新創(chuàng )公司平均只獲得4000萬(wàn)美元的總投資，換成每一年就是500萬(wàn)美元，可以說(shuō)是杯水車(chē)薪，要實(shí)現量產(chǎn)可謂荊棘滿(mǎn)途。而反觀(guān)實(shí)力雄厚的大公司，比如三星、LG和松下，近幾年愈發(fā)保守，更傾向于改進(jìn)現有技術(shù)，缺少大刀闊斧改革技術(shù)的決心。因此，鋰電池在短期內不會(huì )被淘汰，仍將占據主流地位。