
鋰離子電池開發(fā)領(lǐng)域的一些領(lǐng)先企業(yè),例如特斯拉(Tesla)以及研究型大學(xué),在這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步。
小型便攜式電子產(chǎn)品的興起要求同時開發(fā)強(qiáng)大的電池技術(shù)。自1990年代以來,鋰離子電池(鋰離子電池或LIB)已成為硬件軍備競賽中的領(lǐng)先者-取代了鎳基電池。
但是,發(fā)展不會停滯。我們將探討LIBS帶來的好處,以及為何使用研發(fā)電池技術(shù)的EE不應(yīng)對LIB的進(jìn)展感到滿意。
與金屬替代品相比,鋰離子在運(yùn)行和充電時更穩(wěn)定。盡管鋰金屬的密度更高,但LIB的能量密度仍然是鎳鎘電池的兩倍。它們還具有以下有利特征:
單電池構(gòu)建和整合
沒有內(nèi)存或需要進(jìn)行維護(hù)的收費(fèi)計(jì)劃
休息時放電緩慢
相對安全的處置
可定制的單元配置,適用于各種應(yīng)用
盡管某些類型的鋰離子電池(棱柱形細(xì)長)更昂貴,但鋰離子技術(shù)通常保留了有利的成本/能量比。這些電池還易于更換,同時具有較長的保質(zhì)期。
與其他技術(shù)相比,鋰離子電池更重-強(qiáng)調(diào)了移動設(shè)備的重量-功率平衡。這在一定程度上加劇了人們對手機(jī)外形的爭論。許多用戶更喜歡全天(或幾天)的電池壽命,而其他用戶則更喜歡終極的便攜性。一些設(shè)備已經(jīng)變得越來越大,以容納更高的毫安小時(mAh)額定值的電池。這樣可以延長兩次充電之間的使用壽命。
LIB是用戶安全的,但需要采取防護(hù)措施以防止其壽命期內(nèi)的性能下降。這些保護(hù)電路保持電壓和電流-使其保持穩(wěn)定。盡管被動放電緩慢,但鋰離子技術(shù)仍在老化。
資源豐富是鋰的一個持續(xù)問號。工程師主要使用世界上第33種最豐富的電池元件。早在2015年,綠色科技媒體(Green Tech Media)報(bào)導(dǎo)說,在最壞的情況下,我們只有足夠的全球商店來維持我們17年的運(yùn)營。
最后,電池整形會限制內(nèi)部組件的布局。依賴LIB的工程師可能不得不調(diào)整其底盤以適應(yīng)它們或進(jìn)行功能讓步。在某些情況下,這會阻礙創(chuàng)意產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。這也可能促使公司尋找次等選擇。迄今為止,我們?yōu)榭朔@些缺點(diǎn)做了什么?
一些制造商拒絕接受鋰離子電池外形的怪癖。隨著設(shè)備在每次迭代中不斷縮小,已將責(zé)任放在EE上以制定創(chuàng)造性的單元配置。
特斯拉(Tesla)是一家專注于鋰離子技術(shù)的公司。自2006年以來,該公司一直在完善其LIB技術(shù),并試圖以創(chuàng)造性的方式緩解現(xiàn)有的鋰離子問題。該公司提供以下準(zhǔn)則以延長鋰離子電池的使用壽命:
避免在充電狀態(tài)下過高和過低(保持電池在2%到95%之間持續(xù)充電)
避免快速充電以提高能量穩(wěn)定性和健康的內(nèi)部溫度
避免在寒冷的狀態(tài)下充電
避免快速放電,同時限制每個電池的電流要求
特斯拉(Tesla)已經(jīng)承認(rèn),每塊電池都會隨著時間的推移而退化。因此,可維修性對于車主而言至關(guān)重要。試想一下,特斯拉是否將單節(jié)LIB用于他們的車輛。如果該電池發(fā)生故障或完全死亡,則需要進(jìn)行昂貴的維修。這就是為什么該公司使用大量電池(早期超過6,800個)來制造單個電池的原因。車主可能會在降級后更換單個單元,而不是完全將汽車當(dāng)作垃圾。
在電池技術(shù)的最新發(fā)展中,特斯拉最近宣布了其臺式電池項(xiàng)目,以對抗熱量怪獸和提高功率輸出。傳統(tǒng)上,這些選項(xiàng)卡對于在大型電池中傳輸功率至關(guān)重要,同時也延長了電氣路徑。
這在阻礙性能的同時打開了產(chǎn)生熱量的大門。通過移除凸耳并安裝內(nèi)部螺旋基體,現(xiàn)在可以直接通過鋰離子材料傳輸功率。
特斯拉表示,縮短了關(guān)鍵的電氣路徑,降低了工作溫度,有望將能量密度提高五倍,功率提高六倍,范圍擴(kuò)大16%。由于簡化了LIB設(shè)計(jì),因此這些類型的改進(jìn)有助于規(guī)模生產(chǎn)。
典型的鋰離子電池由兩個電極組成,兩個電極之間充滿液體電解質(zhì)。這種液體易揮發(fā);刺破或短路可能會引起起火。一些制造商的設(shè)計(jì)特別容易受到影響。請注意,典型的LIB包括分隔器,該分隔器可保持電極間隔開,同時允許能量傳輸。
您可能還記得困擾三星的Galaxy Note 7的自然燃燒崩潰;這些設(shè)備起火最終是由壓接,隔板損壞和短路引起的。
斯坦福大學(xué)的研究人員現(xiàn)在建議固體材料可以代替液體電解質(zhì)。它們也更具成本效益。
鋰,硼和硫作為可行的材料已經(jīng)上升到最高(由于機(jī)器學(xué)習(xí)篩選)。固體可以承受更多的應(yīng)力并抵抗更多次循環(huán)的破壞,從而支持固體可以在更長的時間內(nèi)導(dǎo)電的觀點(diǎn)。短路也很少見。
最大的挑戰(zhàn)將是確保生產(chǎn)管道的安全,并彌合液體和固體之間的電導(dǎo)率差距。
據(jù)說鋰金屬是電池研究的圣杯。但是,這種材料用于陽極時,其長期可靠性值得懷疑。鋁箔會隨著時間形成尖銳的突起,稱為樹突。這些樹突會在內(nèi)部刺穿隔板,從而引起短路和起火。
如果我們能夠阻止樹枝狀晶體生長,該怎么辦?SDSU的科學(xué)家認(rèn)為,在陽極和隔板之間使用新的氮化鋰涂層可以做到這一點(diǎn),從而消除了鋰金屬分布不均的缺陷。
等離子體處理的涂層還可以延長電池的使用壽命,延長離子導(dǎo)電性。鋰金屬電池將因此享有更大的知名度,甚至具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。他們還將更有效地保留自己的能力。
令人鼓舞的是,自鋰離子電池誕生以來,它們已經(jīng)走了多遠(yuǎn)。盡管該技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一定程度的成熟,但研究人員仍在尋找改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的方法。盡管許多人可能認(rèn)為電池的發(fā)展已經(jīng)放緩,但世界上最重要的公司和大學(xué)都在證明事實(shí)并非如此。我們還在尋找使生產(chǎn)中的LIB更經(jīng)濟(jì)的新方法。
這并不是說鋰離子技術(shù)是萬能的。如果發(fā)展和消費(fèi)加速,全球鋰儲量將面臨潛在威脅。安全性得到了極大的改善,雖然很少發(fā)生電池故障(根據(jù)電池大學(xué),不到百萬分之一),但是這些故障可能會造成人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失。
此外,材料的可用性,成本的節(jié)省和生態(tài)友好性可能很快使鈉離子替代品成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
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