2020年锂离子电池将何去何从?

小型便携式电子产品的兴起要求强大的电池技术同步发展。雷竞技最新app自1990年代以来,锂离子电池(锂离子电池或lib)已经成为硬件军备竞赛的领跑者——取代以镍为基础的同类产品。

锂离子电池中的离子流动。图片由电池大学

然而，发展不能停滞。我们将探讨LIBS带来了什么，以及为什么从事研发电池技术的电气工程师不应该自满于LIBS的进展。

锂离子的优点

与金属替代品相比，锂离子在运行和充电时更稳定。尽管锂离子电池的前身锂离子电池的密度更高，但其能量密度仍然是镍镉电池的两倍。他们也有以下优点:

• 单细胞构造和巩固
• 没有内存或要求的费用调度维护
• 休息时缓慢放电
• 相对安全的处理
• 可为各种应用程序定制单元配置

锂离子电池在比能量密度和体积能量密度方面优于许多其他类型的电池。图片由Roberta A. DiLeo提供，罗切斯特理工学院和清洁能源研究所

锂离子电池技术通常保持着优势的成本-能量比，尽管某些类型的锂离子电池(棱柱状细长)更加昂贵。这些电池也很容易更换，而且保质期很长。

锂离子电池的缺点

与其他技术相比，锂离子电池往往更重-强调了移动设备的重量-功率权衡。这在一定程度上助长了关于手机外形因素的争论。许多用户喜欢一整天(或多天)的电池寿命，而其他人更喜欢极致的便携性。一些设备已经变得越来越大，以适应更高的毫安时(mAh)额定电池。这些提供更长的使用寿命之间的收费。

lib对用户是安全的，但是需要保护措施来避免在其寿命期间发生降级。这些保护电路保持电压和电流的稳定。尽管缓慢的被动放电，锂离子技术仍在老化。

虽然较高的充电电压可以提高容量，但它会缩短锂离子电池的寿命周期，降低安全性。图片由Choi等人提供电池大学

锂的资源丰度一直是个问号。工程师主要使用这是世界上第33个最丰富的元素为电池充电。早在2015年，绿色科技媒体报道说我们只有在最坏的情况下，足够我们维持17年的全球门店。

最后，电池形状限制了内部组件布局。依赖lib的工程师可能不得不调整他们的底盘以适应它们，或者在功能上做出让步。这在某些情况下阻碍了创造性的产品设计。这也可能促使企业去寻找劣质的替代品。到目前为止，我们为克服这些缺点做了哪些工作?

2020年锂离子电池的创新

一些制造商拒绝接受锂离子的形状因素的怪癖。随着设备在每次迭代中不断缩小，电子工程师就有了创建创造性单元配置的责任。

特斯拉的表电池

特斯拉是一家全心投入锂离子技术的公司。公司已经自2006年以来不断完善其LIB技术并试图以创造性的方式缓解现有的锂离子电池问题。为延长锂离子电池寿命，公司提供了以下指导方针:

• 避免极高或极低的充电状态(保持电池持续充电2%至95%)
• 避免快速充电，以促进能量稳定和健康的内部温度
• 避免在冷状态下充电
• 当限制每个电池的电流要求时，避免快速放电

特斯拉已经承认，每一块电池都会随着时间的推移而退化。因此，对车主来说，可服务性变得至关重要。想象一下，如果特斯拉的汽车使用的是单细胞电池。如果该细胞发生故障或完全死亡，就需要进行代价高昂的修复。这就是为什么该公司使用大量的电池(早期超过6800个)来制造一个电池。车主可能会在车辆退化后更换单独的单元，而不是将汽车全部丢弃。

在电池技术的最新进展中，特斯拉最近宣布了其无表电池项目为了对抗热小精灵和提高功率输出。传统上，这些标签在大电池中传输能量时至关重要，同时也延长了电子路径。

这是特斯拉新型无平板电池的横截面。图片由商业内幕

这就打开了产生热量的大门，同时阻碍了性能。通过去除标签并建立一个内在化的螺旋矩阵，现在可以通过锂离子材料直接传输能量。

据特斯拉称，关键的电气路径被缩短，操作温度降低，有望增加5倍的能量密度、6倍的功率和16%的行驶距离。这些类型的改进促进了规模生产，因为LIB设计简化了。

斯坦福建议用固体材料代替液体电解质

一个典型的锂离子电池由两个电极组成，电解液填满两个电极之间的空间。这种液体易挥发;刺穿或短路可能引起着火。一些制造商的设计尤其容易受到影响。注意，典型的LIB包含分隔符，使电极之间保持间隔，同时允许能量转移。

锂离子电池图，包括隔膜和电极间的离子流动。图片由电池大学

你们可能还记得困扰三星Galaxy Note 7的自燃灾难;这些设备火灾最终是由压接、分离器损坏和短路引起的。

斯坦福大学的研究人员现在认为固体材料可能是值得替代的液体电解质。它们也更划算。

锂、硼和硫已经成为最可行的材料(多亏了机器学习筛选)。固体可以承受压力，在更多的循环中抵抗分解，这支持了固体可以导电更长的时间的观点。短路也不常见。

最大的挑战将是确保制造管道的安全，以及弥合液体和固体之间的电导率差距。

南达科他州立大学冠军金属锂

据说金属锂是电池研究中的圣杯。然而，当用于阳极时，这种材料的长期可靠性是可疑的。随着时间的推移，金属箔形成了叫做树突的尖锐突起。这些枝晶会在内部刺穿分离器，从而引起短路和火灾。

枝晶(如图所示)可以突破分离材料，引起短路和火灾。图片由院长Sigler

如果我们能阻止树突的生长呢?圣地亚哥州立大学的科学家认为在阳极和隔膜之间涂上一层新的氮化锂涂层就可以做到这一点-消除了金属锂分布不均匀的缺陷。

等离子体处理的涂层也促进延长离子电导率在电池的使用寿命。锂金属电池将因此得到更大的普及，甚至具有更强的机械强度。他们也将更有效地保留他们的能力。

锂离子及其同类产品的未来

看到锂离子电池自诞生以来所取得的进展，令人鼓舞。虽然这项技术已经达到了一定程度的成熟，但研究人员仍在寻找改进现有技术的方法。尽管许多人可能认为电池的发展已经放缓，但世界上最重要的公司和大学却证明了事实并非如此。我们还在寻找新的方法，使lib在生产过程中更经济。

这并不是说锂离子技术就是一切。如果开发和消费加速，全球锂储量将面临潜在威胁。安全性大大提高，虽然电池故障很少发生(不到百万分之一电池大学(Battery University)的研究显示，这些故障可能会导致身体或财产损失。

此外，材料的可用性、成本节约和生态友好可能很快就会推进钠离子替代品成为人们关注的焦点。