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    鋰電池限制了我們對智能的想像了嗎?

       無論是最新款的華為 P30,還是我的諾基亞 3310,它們在完全沒電后,都會變成同樣的一塊磚頭。每天給手機充電已經是一種生活習慣,這個慣性動作的背后,其實是電池技術并未跟上智能硬件產品發展速度的一種表現。

    ▲ 電動車內電池組的單節電池事實上,鋰離子電池被大規模商業應用的歷史并不長。如今我們距離鋰離子電池在硬件產品上的第一次爆炸事件,才僅僅過去了 30 年,而造成那次悲劇的「鋰枝晶」現在依然是電池研發人員的噩夢。

     

    慢充保壽命,快充省時間的鋰電池
    從口袋里的手機,到桌面上的電腦,再到路上跑的電動汽車,鋰離子電池都是現在絕大部分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」的金屬特性,密度低到 0.534g 每立方厘米,原子質量小到 6.9u,因此它是一種質量很輕并且極易與外界發生反應的金屬。鋰電池的工作原理是這樣的: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重新跑回到正電極。鋰離子可以看做載著電荷的小車,在化學反應的過程中形成電流供電。

     

    電池快充就是讓鋰離子移動的速度加快。為了實現這個效果,不僅需要適當改變充電電壓,還需要對鋰離子移動的路徑,也就是電解質進行改良。電池的一個重要的指標就是「能量密度」,可以理解為:每公斤的物質最多能夠攜帶的能量。

    ▲ 一個充電周期,圖片來自蘋果官網鋰離子電池介紹頁另外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%,就是完成了一個充電周期。經過一定數量的充放電周期后,任何類型的電池容量都會變少。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,但是這些車隊在充放電的往返過程中并不會規規矩矩、整整齊齊。

    ▲ 鋰枝晶它們會在出門的時候把車庫撞壞(引起結構變化),也會在返回車庫的時候幾輛車一起把車庫的門堵住,引起塞車,當這條車龍到達一定的長度,就會讓電池發生短路和爆炸。這條車龍就是「鋰枝晶」,如今的車龍依然存在,只是因為技術進步得到了緩解。

    鋰電池商用的歷史,索尼是一個里程碑

    在消費電子產品開始起飛的年代,廠商急需一種輕便、大容量,又能循環充放的電池。這種迫切讓電池制造商和產品廠商忽視了「鋰枝晶」的危害。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 年推出了一款AA 型鋰電池,能量密度超過 100Wh/kg,成為當時炙手可熱的當紅炸子雞,并在 1989 年推出第二代鋰電池產品。這家公司生產的鋰電池被率先用到日本著名計算機設備制造商 NEC 的電腦,和日本電信電話公司 NTT 的電話中。悲劇的是,使用了新電池的產品在 1989 年春天發布后,隨之而來的是產品出現起火爆炸的安全事故。電子產品變身易燃易爆危險品,在當時的日本引發恐慌。最后 Moli Energy 不得不宣布全部召回已售產品,并賠償受害者。1989 年底,Moli Energy在破產之際被 NEC 收購。

    ▲ 2017 年 NEC 把電池業務出售了, 圖片來自:新浪科技NEC 按照 Moli Energy 原有的制造方式從制造了 50 萬個電芯,對每一個進行缺陷檢測。接著,把這些電芯組裝成電池,安裝在手機上,用了約一年半的時間進行了 5000 次充放電循環。NEC 在這個大型測試中發現幾乎所有手機電池都出現了故障,從電池容量急劇衰減到爆炸。面對這樣慘烈的結果,NEC 只能宣布永久放棄將金屬鋰作為負極用作可充電池的技術方案。

    ▲ 索尼的電池業務在 2017 年也賣掉了索尼從上個世紀 80 年代開始就與日本石化巨頭朝日化學合作研發可充電電池。直到 1990 年 2 月,索尼宣布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。索尼的這款「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。憑借這項電池技術,索尼在消費電子產品領域勢如破竹,并且成為全球電池市場上最受歡迎的供應商之一。然而在 1995 年,索尼在日本福島的鋰離子電池工廠發生大火,超過 100 萬電池被燒,并且再次在社會引起恐慌。經過調查,電池工廠起火原因是電池老化和充放電實驗室的托盤材料沒有阻燃性,這導致意外產生的火花在溢出后,迅速蔓延點燃了工廠。而之所以實驗室托盤材料不過關,是因為工廠要降低成本。后來索尼經過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。之后索尼為自己的電池工廠建立了更加嚴苛的安全測試及保障措施。

    ▲ 針刺測試示意圖其中包括一個「針刺測試」,充滿電的電池放在一個平面上,用直徑 3mm 的鋼針沿徑向將電池刺穿。測試電池不起火、不爆炸則為通過測試。通過「針刺測試」的技術太難了,國際電工委員會(IEC)的電池檢測標準中就沒有包含該項測試。今年 3 月初,工信部官網發布《電動汽車用動力蓄電池安全要求》等三項汽車行業強制性國家標準中,「針刺測試」也被取消了。不過一直被電池虐的索尼,在 2017 年把電池業務也出售了。

    以電動車為例,電池面臨的三個問題

     

    ▲ 特斯拉超級電池工廠內部我們距離鋰電池正式大規模商用才不到 30 年,目前最流行的鋰電池屬于鋰離子電池。有統計顯示,鋰離子電池的性能和價格演進速度正在放慢,這個趨勢很有可能會在未來影響電動汽車的大規模生產。一位從事電池研發多年的技術人員 Tiger 告訴愛范兒,現階段電池的技術瓶頸主要在能量密度、循環壽命和溫度特性三個方面。換個角度,電動車里電池面臨的問題主要有三個,分別是:

    ·         里程焦慮

    ·         安全問題

    ·         成本問題。

    首先,「里程焦慮」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,由于鋰電池一般都會摻雜其他物質,再加上正負極材料的影響,因此目前工業生產的鋰電池能量密度普遍在 150-300Wh/Kg。由于需要考慮電池材料在使用過程中的穩定性,因此突破 300Wh/Kg 的電池制造技術只有少數廠商可以做到,比如特斯拉就在其中。最近 20 年來商用電池的研發基本都沒有太大的突破,在化學電池這個領域里,如果人們找不到能夠替換「鋰」的新材料,基本上電池能量密度也沒有突破的指望。也就是說,包括手機、無人機、電動車在內使用鋰電池為主的智能產品,在相當長的一段時間內,電池的單次續航依然會明顯受到限制,只能通過增加充電次數、加快充電效率等方式來解決。其次是安全問題。

     

    ▲ 三星 Note 7 手機當年因電池爆炸被民航禁運電池依然是一個易燃易爆的脆弱事物,坐飛機時電池不能托運只能隨身攜帶就是其中一個表現。汽油車起火時,人們往往還有逃生時間,但若換成是電動車電池起火,基本是瞬間被火海淹沒,車內人員生還的可能性比汽油車低得多。另外,高溫狀態下,電池內部的化學物質容易分解,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成本問題。為了讓鋰離子電池在使用時更加穩定安全,電池內部會添加各種化學物質,可以做到改善電池的溫度特性、增加電池倍率等。這些物質包括鈷、鎳和其他稀有金屬。

    ▲ 礦石開采難度與價格,圖片來自:nature.com這些稀有金屬在地球上的儲量很有限,開采的難度也比較高,隨著電動汽車電池的需求量日益增長,稀有金屬原材料的價格也水漲船高。

    ▲ 有網友曾拆解 Model 3 的電池《自然》雜志曾統計,預計到 2025 年,全球每年生產 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目前世界鈷產量的大部分。鋰離子電池的短板太多,電池技術在最近二十多年來基本是在緩慢前行?!蹲匀弧冯s志的預測是:我們距離鋰電子電池革命僅剩下 10 年。電池研發相當耗時,能用的新技術都在用
    電池研發是一件相當耗費時間的事情。比如研發人員電池的某個部分進行改進,那么就需要進行大量的充放電實驗來驗證效果。每一次充放電都是需要耗費時間和資源的。為了讓電池研發人員可以更好地對電池剩余充放電次數進行預測,斯坦福大學、麻省理工學院與豐田研究所共同創建了一種人工智能,可以用來預測電池的性能和壽命。這個算法通過學習上億次電池充放電的數據,因此能夠在收集單個電池五次充放電周期的數據后,預測電池的剩余壽命,正確率為 95%。這項人工智能技術預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明之一,它改變了很多電子產品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使用消費電子產品的方式。隨著電池技術的提升,手機上的電池已經逐漸不用拆換,出門帶上一塊充電寶就變成一件理所當然的事。就目前而言,鋰離子電池雖有諸多不足,但它依然是消費電子產品最好甚至是唯一的選擇。在過去,有很多電子產品都是靠堿性干電池、紐扣電池供電續命,當時的用戶可能沒有想象過,裝著高性能鋰離子電池的產品會是怎樣的。如今我們所使用的電子產品,也被電池技術的緩慢發展束縛,你可能沒有想象過一部 iPhone 充一次電可以正常使用一周的場景。我想這樣的手機會被賣瘋吧。
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