終極電池在哪裡?鋰空氣和燃料電池值得期待

作者 | 發布日期 2016 年 01 月 20 日 11:22 | 分類 零組件 , 電池 follow us in feedly
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自從 20 世紀中期電腦晶片發明以來,技術就一直在飛速進步,我們可以用一個故事來講述:摩爾定律。每 2 年晶片中的電晶體數量就會倍翻,其他技術也在進步,最終使得處理器的性能每隔 18 個月提昇一倍。從摩爾定律被定義的那天起,到現在已經四十多年了,它一直沒有被打破。一代人在電子領域創造了驚人的進步,摩爾定律很好地詮釋了這些進步;在摩爾定律的推動下,智慧手機已經進入到億萬人的口袋,它比幾十年前最好的電腦還要強大幾千倍。



再看看裝置中使用的電池,它的發展和摩爾定律完全不匹配。1991 年 Sony 率先將鋰電池商用,到今天這門技術並沒有明顯改變。汽車使用的技術更為古老,內燃發動機的基本設計、車用鉛酸電池幾十年都很少改變。

縱觀設計的歷史,大多時候企業們根本沒有改變的欲望,產業一直運作得很好,我們很少去考慮電池。回看 2000 年時,手機充一次電可以用好幾天。然而在過去的 10 年裡,我們已經進入了智慧手機時代,電池的不足開始變得嚴重起來。與 9 年前賈伯斯發表的 iPhone 相比,蘋果最新的手機強大 16 倍,但它的續航時間仍然不到一天。

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新舊手機之所以性能差距如此之大,主要歸功於工程進步,它是透過提高處理器效能實現的,而不是因為電池更好。至於毫安培時(在一定的放電時間下完全放電產生的電流),iPhone 6s 只比 2007 年第一代 iPhone 提高了 22%。

 

鋰電池挑戰

設計鋰電池很簡單。當電池充電時,電子流通過電路傳送到負極,吸引電解質溶液中的鋰離子(一種可帶電粒子)。當我們使用電池時,離子會透過溶液轉移到負電極,它會釋放電流幫裝置充電。

這是相當基本的化學過程,結果就是很難改進。只有幾種元素可以使用,而事實證明鋰是最適合的。要改進電池,辦法就是改變電極和電解質的化學成分,但改進是逐步進行的,而且隨著時間的推移改進會越來越難。儘管富有的科技公司不斷向電池投入資本,每年電池的性能仍然只能提升 5%。事實上,許多電池製造商發現要提升電池效能,最好的辦法就是增加體積,讓它有更大的空間容納更多的離子。

對於許多人來說,這樣的辦法顯然不夠好。智慧手機最開始只是日常生活的重要部分,現在成了我們的基本需求。我們用它來支付款項、通訊、導航,如果手機不能用,我們會很心煩。這還不算什麼,當電動車、搶救生命的健康設備沒有電時後果更嚴重。依照預測,太陽能將是未來的主要能源,如果沒有太陽,電池就要有很大的儲存容量才行。

 

替代產品

人們對電池越來越依賴,受到需求的推動,企業投入大量的時間和金錢開發鋰電池替代產品。

去年,劍橋大學科學家宣布獲得巨大突破,它們開發了「鋰空氣」(lithium-air)電池,科學家宣稱新電池的性能是現有鋰電池的 10 倍。新技術直接使用空氣中氧氣的部分電子,而不是使用儲存在電池一端的電子,他們宣稱電池的性能可以大幅提高,充電一次可以讓一輛電動汽車從倫敦開到愛丁堡。

劍橋科學家將這種「鋰空氣」電池稱為「終極電池」,其實這種設計幾十年前就出現了,但傳統的過氧化鋰設計被證明是不穩定的,而且不支援多次充電。採用新的化學成分替代氫氧化鋰能減少耗電化學反應的次數,使得電池可以反覆充電 2,000 次以上。

美國伊利諾斯州阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的研究者上周宣布取得突破,他們推出了超氧化鋰物電池,新技術解決了其他鋰空氣電池的許多主要難題。新設計還要幾年才能投入商用,可能至少需要 10 年時間。

還有一個方案也許同樣行得通:不開發更好的電池,而是尋找更好的方法提供能量。英國 Intelligent Energy 公司宣稱,在不久的將來可以在消費電子產品上使用氫燃料電池。

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Intelligent Energy 公司 CEO Henri Winand 說,採用新技術開發的原型電池能夠讓智慧手機連續用上一星期,可以讓無人機飛幾小時而不是 30 分鐘。它不需要充電,燃料電池可以在內部互換。公司還與 Suzuki 合作開發搭載燃料電池的滑板車,它還與一家新興智慧手機商開發使用燃料電池的產品。Winand 說:「以後我們不用再按照電量來安排生活。」他說採用燃料電池的手機還有 18 個月就會出現。

對於依賴電池的消費者和企業來說,這樣的速度還是不夠快,燃料電池可能需要好多年才能形成主流。同時,一些技術企業仍然在投資鋰電池技術,它們認為短期之內這是最好的選擇。

放眼全球,有許多企業大規模使用電池,特斯拉是其中的一個,它投資近 50 億美元在美國內華達建造鋰電池工廠。還有一些消費電子企業拒絕依賴突破性技術,它們轉而重視無線充電技術或者快速充電技術,只需要半小時或一小時就可以將電池從 0% 充到 60%。

即使是最有希望的新電池暫時也還不可能取代鋰電池,新電池還需要多年的測試,需要法律的許可,然後才能進入到汽車和手機中。不論誰贏得競爭,它的電池都將是本世界最大的突破之一。

(本文由 雷鋒網 授權轉載)

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