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为什么锂电池技术都获得诺贝尔奖了,还解决不了手机一天一充的现

2020-08-22 19:00阅读(75)

为什么锂电池技术都获得诺贝尔奖了,还解决不了手机一天一充的现状?锂电池技术突破、发展的瓶颈在哪?现在进行到哪一步了?什么时候可以解决手机一天一充的现状

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1、从诺贝尔奖角度:奖项是滞后的

诺贝尔奖奖励的是对人类社会有贡献的,一个技术势必是经过很长一段时间考量和验证。

如果现在有一项新的电池技术,带来了新的技术突破,那么多年也很可能拿诺贝尔奖,但多年后新的电池使用设备,也将对电池将提出新的性能要求。2、从电池角度:技术发展限制

电池里的组件,比如:外壳、集流体、隔膜、电解质等,本身不提供容量,但它们却占用了电池本身不少空间,另外手机设备空间本身也有限,这要求锂电池不断提升能量密度,

但从第一块商业化的锂电问世以来,这28年的时间,锂电池能量密度的年均增长率也就是4%左右,锂电池没跑赢3C数码的跑不赢摩尔定律。摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。3、从手机角度:一天一充符合商业逻辑

手机厂商在不断在提高手机性能,比如:提升相机分辨率、CPU性能、GPU性能、 闪存速度、屏幕分辨率。

另外一方面为满足更多的市场用户需求,设计的软件功能也越来越复杂。

手机的这些软件提升,都给电池带来了新的挑战。

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题主你好。

锂电技术获得今年的诺贝尔奖,说明锂电技术仍然是热门技术领域,具有相当广泛的应用前景。但目前手机电池普遍一天一充,主要原因如下:


锂电材料从技术到应用需要时间

目前用一项新技术,石墨烯覆盖硅阳极技术:将硅(Si)用作阳极材料,其储能能力大大提高。与传统的石墨电极相比,硅的容量理论上提高了十倍。但是,其晶格结构包含锂离子会导致体积显着增加超过300%。当电池放电时,锂离子从硅阳极释放,硅收缩。随着时间的流逝,这种反复的膨胀和收缩使硅阳极破裂并破裂,电池的使用寿命非常短。

解决这一问题的途径是使用石墨烯覆盖硅,因为石墨烯片可以彼此“滑动”,并补偿硅的膨胀和收缩,这几乎使电池的能量密度增加了一倍。但目前此项技术还停留在实验室研究阶段。


因此,新技术虽然很有诱惑力,但是实际应用起来还需要时间。相信未来一定有容量大、充电快的新型锂电池,让我们拭目以待。

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2019年诺贝尔化学奖颁给了三位在锂电池发展上做出了伟大贡献的科学家。

如今我们之所以能够随时随地看头条、聊微信、玩游戏、刷微博,都离不开这三位科学家对锂电池基础的奠基性奉献

三位锂电池之父拿了诺贝尔奖,那么手机上的锂电池是不是就能够实现超级续航,充一次管好几天或更久?

残酷的说:不是!至少目前不是

现实就是:无论千元机,还是几千+的旗舰机,用起来几乎都还是需要每天充电。可以说智能手机发展历经这么多年,从外观到性能,都有一次比一次亮眼的进步。

但是!唯独在手机电池这一方面,始终没有什么重大突破。

这是为什么呢

首先

我们的手机屏幕是耗电大户的一员,手机发展到现在,早已不限于从前的打电话发短信了,手机成为了人们接收信息的一种平台。

为了满足和吸引消费者,手机厂商把手机屏幕做的更大更清晰,720P,1080P,4K,

随着一代代的升级,导致对电池的消耗日趋增加。

其次

手机运行APP也需耗能,当APP进程的CPU使用率超过1%的时候,都是耗电比较厉害的。

最后

在手机设计上追求轻薄化的今天,用户要求手机又要薄又要性能强,大部分手机厂商只好牺牲电池容量了。

以上情况是:手机需要频繁充电的原因。


在短期内我们唯有通过缩短充电时间和降低手机的功耗来缓解手机的续航问题。

当然,想根本解决手机电池续航能力不足的问题,实现手机轻薄化的同时,还能内置体积小容量大的电池,那就只能寄希望于电池材料的突破,目前还不得而知。

相信未来一定会有能够超级续航的新型电池,不再为手机充电而频繁了

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锂电池这么多年了,手机厂商也只能在容量,充电速度上做做文章,说明锂这种材料已经差不多到头了,在没有新材料能稳定运用之前,不会有太大突破。现在就看石墨烯能不能小型且稳定。

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说什么都没用,最直接的就是能量密度比。提高个百分之几的没什么大用。18650的电芯用了有二三十年了吧?电池技术没有什么大的突破,能量密度比还就是那个样子。什么充电速度提高,其实用多块电池并联充电一样的效果。最最最最主要的,就是能量密度比。

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锂电池是一次电池革命,取代了传统的铅酸电池,假如没有锂电池,也许就不会诞生我们今天的智能手机??,但是现在的手机充电还是得用两三个小时充电,我们期待电池的再一次革命,创新,石墨烯电池,也许会实现手机秒充电的可能,它的传输是锂电池的N倍,到那时间,我们街上跑的都是电动力汽车了,告别传统的燃油车,我们期待吧,电池的再一次革命!

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如果不获奖,就没有锂电池,你的手机要一天充三次以上,或者手机体积增加一倍,都是电池。

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从第一块商业化的锂电问世以来,已经经过了大约 28 年的时间。这段时间里,其能量密度的年均增长率也就是 4%左右,跑不赢摩尔定律,甚至跑不赢 CPI 。显然在手机性能不断提升的今天,这难以真正改善手机的续航缺陷。

第一,锂离子电池的研发获得诺贝尔奖,站在应用角度来看,是不是实至名归?

第二,手机一天一充的现状,是不是电池能量密度不够造成的,又是不是提高电池能量密度所能解决的?

首先回答第一个问题,锂离子电池获奖,绝对是实至名归。

事实上,锂离子电池的出现,为今天一切便携式电子产品的智能化提供了基础,实现了从无到有的飞跃。如果没有锂离子电池,今天手机的充电频率将是一天至少两三次,而不是一天一次的水平。这个问题,我相信,不会有太大的争议。只不过,从无到有是科学问题,而从有到好,则是技术问题,是社会问题,否则世界上还是有疟疾患者,屠呦呦女士怎么能得诺贝尔奖呢?这是一样的道理。

接下来重点说说是第二个问题。依我看来,就目前来说,最制约手机续航时间的,从来就不是电池能量密度,而是用户对于手机性能不断提高的需求,以及由此带来的功耗增加。

今天,大家对于电池一天一充的问题感到十分不适,然而我想说,出现这种情况,是手机的功能定位发生剧变,以及市场选择,这两者的共同作用结果。

在以前,手机充满一次电,管个几天没有太大的问题。为什么到今天,电池反而显得越发不经用了?是因为锂离子电池技术上没有进步吗?可以说,是,又不是。

要说电池能量密度有没有进步,一定是有的,而且一直在进步。我们知道,电池能量密度,等于单位体积或者质量内能够存储的能量。对于手机而言,我们更关心体积而不是重量,所以在这里我们只来讨论体积能量密度。

锂离子的结构,和镍氢电池是类似的,它们都普遍采取了卷绕或者叠片的方式制造电池。如果只看方形叠片电池,从Z轴方向看,电池的构造一般是:

外壳 - 铝箔 - (正极涂层 - 电解质 - 负极涂层 - 铜箔 - 负极涂层 - 电解质 - 正极涂层 - 铝箔)n - 正极涂层 - 电解质 - 负极涂层 - 铜箔 - 外壳

其中括号内是重复单元,各个部分紧密相连。其中,只有正极涂层和负极涂层中的活性物质存储了电能,集流体和电解质只是为了提供离子和电子的定向运动通道而存在的。而正极涂层和负极涂层中,除了活性物质,又包括导电炭黑和粘结剂,这些东西保证了涂层能够具有一定强度,并且在立体方向上实现了更均匀的电子传输,不加是不行的。

实际上,电池企业一直都在致力于提高电池的能量密度。经过二十多年的努力,手机电池的电解质厚度已经从第一代聚乙烯碳酸酯复合物的约 25um ,下降到今天凝胶状聚合物的不到 10um (不确定,受限于本人阅历,其实没见过真正的商用聚合物电解质),集流体从早期的 20um 左右下降到今天的 8um 铜箔,而正负极的厚度,受限于极化不能再提高,目前正负极都是单侧 40um 左右,面密度有20和9mg /cm2吧。仅考虑上面这些,每个重复单元的活性物质总量没变,一个重复单元厚度就是从 260um 下降到了 200um ,一定厚度的电池里的活性物质质量,还有相对应的容量,自然就提高了。再考虑导电炭黑和粘结剂的总用量已经从最初的相对于活性物质约 10% 下降到如今的不到 5% ,哪怕不改变材料体系,电池的能量密度也提高了接近40%。甚至,连最难提高的材料自身比容量和电池电压,随着硅碳负极,三元正极的应用,以及材料的表面改性,也得到了一定提高。目前水平下,电池的体积能量密度相比于20世纪末的钴酸锂-聚烯烃/碳酸酯-石墨体系,提高了50%是一定有的。

而提高50%的能量密度,够用吗?我在这里做一个对比。2009年,我用的是诺基亚6085翻盖手机,它的屏幕是1.8英寸,分辨率也不高,大概128乘160的样子。2019年,我用的是苹果7,这个大家都知道,4.7英寸高清屏。屏幕大了5倍多,电池的容量却只大了一倍。仅看这一项,我的苹果7手机,屏幕使用时间只有我诺基亚的1/3,这一点都不奇怪。更何况那个年代,诺基亚6085作为一款非触屏手机,它的主要功能,也注定还是发短信,打电话,偶尔听一下歌。

而苹果的经典作品4代,在2010年已经上市。我的诺基亚续航比苹果4好多了,更不用提今天的苹果7。可是即便是那时候的我,也马上换掉了我续航强悍的诺基亚。到今天,如果说真想追求续航,也不是不行,只是性能和使用体验必须要大打折扣了。随着手机的功能,从单纯打电话发短信,发展出听歌拍照看电影,甚至玩儿大型游戏,人们对于手机性能提高的要求,就远远超过了对续航能力的要求。如此一来,手机里给电池的空间,不好意思,也只能一砍再砍了。

这就是一开始我说的,不是电池不行,而是市场选择了牺牲一部分续航,换取性能的提升。就算手机电池的能量密度除以手机功耗,相比于今天提升了一百倍,大家猜猜手机厂家是否会为了提高性能,要求电池也做小百倍,继续让大家一天充电一次呢?别说一天充一次,到今天,苹果11的广告里,能让你从早玩到晚,都已经成了值得宣传的事情。如果是满负荷用的话,很多手机一天一充还不够呢。可不管怎么说,到今天,充电也已经比十年前,方便了太多。哪怕整天玩,能用上一个白天,晚上充充电,也就好了。

因此,在智能手机这个阶段,锂离子电池无论怎么发展,能够发展到什么地步,都不能仅通过提高电池性能来提高智能手机的续航能力。这是因为市场告诉我们,截至目前,续航能力不是用户最关心的,续航不是制约智能手机发展的最大瓶颈。续航不足的问题,相比于手机性能的进一步提升,永远都不是最重要的。那么什么时候,手机的续航时间,才能够再次普遍得到提升呢?

如果乐观一点看待,有一天,手机的能量供应系统出现革命性的变化,手机无需连接电网去充电。开个脑洞吧,尽管如今看不到希望,可未来会不会有一天,一方面移动设备功耗大幅下降,另一方面光电池也得到飞速发展直至普及。这样一来手机只要晒一晒太阳,或者甚至开着灯就能给自己充电,充电器一般情况下能彻底淘汰。这时,续航问题,就不存在了。

又或者,芯片的计算和存储能力,开始出现了溢出,进一步提升,也无助于改善用户体验。这时,才会有厂家开始能够为了续航,去增大电池的空间占比,至少是不再缩减。随着手机的电池容量与功耗的比值提高,续航问题自然也就得到了改善。

展望一下吧。手机芯片和存储器我不懂,但是锂电咱终归懂一点。大家总还是很关心,这个锂电的能量密度究竟还能提升多少呢?

就目前我的知识面来看,如果硅负极(比容量约 2000 mAh/g,以充电态计算。学术文章往往为了数据好看用初始的纯硅为基准质量,从而得到比金属锂更高的比容量,这样显然是荒谬的)加富锂锰基能用,电池平均电压会略微下降,但正负极比容量相对于目前的可分别再提高大约一倍和七倍,如此一来电池的能量密度再提高一倍多是没有问题的。从长远来看,如果是锂电发展的终极目标,锂金属-固体电解质-空气电池,这样一来正极不占用空间,那么能量密度将会达到如今的数倍。这个数倍具体是多少倍,取决于电解质和催化剂需要用多少。当然了,现在我们实际上还没有攻克我说的第一步,即便是能量密度想再提高一倍,都是任重而道远的

原因的一方面在于,正负极材料的容量提升潜力是受限的。比如钴酸锂中的锂离子只能部分脱出,否则就会有层状结构坍塌的问题。可以说,让充电截止电压提升 0.05V,都不是件轻松的事。其它比如三元材料、NCA 的结构与钴酸锂相似,容量也不可能有革命性的变化,最大的意义还是在于资源节约。负极现在主要使用石墨,新一代硅碳负极的开发得一步步来。硅的充放电体积变化幅度非常明显,看某些新闻报道好像很容易解决,实际上需要做的还很多。而且除了容量以外,循环寿命(能用几年)、倍率性能(快充)也要考虑——可这些性能指标却往往与材料的容量存在冲突,必须综合权衡。

另一方面,电池里有些组件,比如外壳、集流体、隔膜、电解质等,本身不提供容量,需要通过合理的设计精简其重量和体积,但那也不是无限的。这就进一步加大了总体能量密度提高的难度。

总之吧,诺奖是对开拓者们的肯定,但锂电池的发展还在漫漫长路上。任何一个先进工业产品的进步都需要艰苦奋斗,这是亘古不变的道理。

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诺贝尔奖给的是锂电池改变了传统镍镉电池和干电池的不便利性,在具有充电性能的同时还能保持无记忆性和轻量性,极大地提高了电子设备的发展速度。

但是锂电池的密度也是有限的,意味着容量会受到体积限制,手机一天一充就是因为体积不够大,如果手机保持所有元件性能和尺寸不变,电池采用10倍体积,其实也可以不需要一天一充,但是就失去了便携性。

导致手机一天一充的是手机厂商和消费者对手机外形的观念限制,不是锂电池技术。

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不是锂电池发展慢,而是软件发展太快,电池发展跟不上了。

省着用,现在的功能机可以一两个月不用充电,以前可以做得到嘛?你会选择功能机嘛?