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    锂电池限制了我们对智能的想像了吗?

       无论是最新款的华为 P30,还是我的诺基亚 3310,它们在完全没电后,都会变成同样的一块砖头。每天给手机充电已经是一种生活习惯,这个惯性动作的背后,其实是电池技术并未跟上智能硬件产品发展速度的一种表现。

    ▲ 电动车内电池组的单节电池事实上,锂离子电池被大规模商业应用的历史并不长。如今我们距离锂离子电池在硬件产品上的第一次爆炸事件,才仅仅过去了 30 年,而造成那次悲剧的「锂枝晶」现在依然是电池研发人员的噩梦。

     

    慢充保寿命,快充省时间的锂电池
    从口袋里的手机,到桌面上的电脑,再到路上跑的电动汽车,锂离子电池都是现在绝大部分智能电子设备的动力之源。

    ▲ 锂离子电池是怎么工作的锂离子电池是电子设备中最常用的电池,这要得益于「锂」的金属特性,密度低到 0.534g 每立方厘米,原子质量小到 6.9u,因此它是一种质量很轻并且极易与外界发生反应的金属。锂电池的工作原理是这样的:充电的过程就是锂离子从正电极中移动到负电极,放电的过程就是锂离子重新跑回到正电极。锂离子可以看做载着电荷的小车,在化学反应的过程中形成电流供电。

     

    电池快充就是让锂离子移动的速度加快。为了实现这个效果,不仅需要适当改变充电电压,还需要对锂离子移动的路径,也就是电解质进行改良。电池的一个重要的指标就是「能量密度」,可以理解为:每公斤的物质最多能够携带的能量。

    ▲ 一个充电周期,图片来自苹果官网锂离子电池介绍页另外一个常见的指标是电池容量,这个数值一般会标注在电池或者电子设备上。当一个电池的放电电量达到了电池容量的 100%,就是完成了一个充电周期。经过一定数量的充放电周期后,任何类型的电池容量都会变少。电池寿命缩短的过程与「锂枝晶」有关。我们把锂离子看做小车,但是这些车队在充放电的往返过程中并不会规规矩矩、整整齐齐。

    ▲ 锂枝晶它们会在出门的时候把车库撞坏(引起结构变化),也会在返回车库的时候几辆车一起把车库的门堵住,引起塞车,当这条车龙到达一定的长度,就会让电池发生短路和爆炸。这条车龙就是「锂枝晶」,如今的车龙依然存在,只是因为技术进步得到了缓解。

    锂电池商用的历史,索尼是一个里程碑

    在消费电子产品开始起飞的年代,厂商急需一种轻便、大容量,又能循环充放的电池。这种迫切让电池制造商和产品厂商忽视了「锂枝晶」的危害。这就要说到锂电池制造商先烈——加拿大公司 Moli Energy。这家公司在 1985 年推出了一款AA 型锂电池,能量密度超过 100Wh/kg,成为当时炙手可热的当红炸子鸡,并在 1989 年推出第二代锂电池产品。这家公司生产的锂电池被率先用到日本著名计算机设备制造商 NEC 的电脑,和日本电信电话公司 NTT 的电话中。悲剧的是,使用了新电池的产品在 1989 年春天发布后,随之而来的是产品出现起火爆炸的安全事故。电子产品变身易燃易爆危险品,在当时的日本引发恐慌。最后 Moli Energy 不得不宣布全部召回已售产品,并赔偿受害者。1989 年底,Moli Energy在破产之际被 NEC 收购。

    ▲ 2017 年 NEC 把电池业务出售了, 图片来自:新浪科技NEC 按照 Moli Energy 原有的制造方式从制造了 50 万个电芯,对每一个进行缺陷检测。接着,把这些电芯组装成电池,安装在手机上,用了约一年半的时间进行了 5000 次充放电循环。NEC 在这个大型测试中发现几乎所有手机电池都出现了故障,从电池容量急剧衰减到爆炸。面对这样惨烈的结果,NEC 只能宣布永久放弃将金属锂作为负极用作可充电池的技术方案。

    ▲ 索尼的电池业务在 2017 年也卖掉了索尼从上个世纪 80 年代开始就与日本石化巨头朝日化学合作研发可充电电池。直到 1990 年 2 月,索尼宣布推出它的第一块商品化锂离子电池,这是电池工业上的一个里程碑。索尼的这款「18650 圆柱型电池」最初是为 CCD-TR1 8 毫米录像机设计制造的,电池容量为 1000-1300 mAh。凭借这项电池技术,索尼在消费电子产品领域势如破竹,并且成为全球电池市场上最受欢迎的供应商之一。然而在 1995 年,索尼在日本福岛的锂离子电池工厂发生大火,超过 100 万电池被烧,并且再次在社会引起恐慌。经过调查,电池工厂起火原因是电池老化和充放电实验室的托盘材料没有阻燃性,这导致意外产生的火花在溢出后,迅速蔓延点燃了工厂。而之所以实验室托盘材料不过关,是因为工厂要降低成本。后来索尼经过与东京消防厅的艰难交涉,才没让锂离子电池被列为危险品。之后索尼为自己的电池工厂建立了更加严苛的安全测试及保障措施。

    ▲ 针刺测试示意图其中包括一个「针刺测试」,充满电的电池放在一个平面上,用直径 3mm 的钢针沿径向将电池刺穿。测试电池不起火、不爆炸则为通过测试。通过「针刺测试」的技术太难了,国际电工委员会(IEC)的电池检测标准中就没有包含该项测试。今年 3 月初,工信部官网发布《电动汽车用动力蓄电池安全要求》等三项汽车行业强制性国家标准中,「针刺测试」也被取消了。不过一直被电池虐的索尼,在 2017 年把电池业务也出售了。

    以电动车为例,电池面临的三个问题

     

    ▲ 特斯拉超级电池工厂内部我们距离锂电池正式大规模商用才不到 30 年,目前最流行的锂电池属于锂离子电池。有统计显示,锂离子电池的性能和价格演进速度正在放慢,这个趋势很有可能会在未来影响电动汽车的大规模生产。一位从事电池研发多年的技术人员 Tiger 告诉爱范儿,现阶段电池的技术瓶颈主要在能量密度、循环寿命和温度特性三个方面。换个角度,电动车里电池面临的问题主要有三个,分别是:

    ·         里程焦虑

    ·         安全问题

    ·         成本问题。

    首先,「里程焦虑」与锂离子电池的能量密度有关。锂这种金属的理论极限能量密度是 14000Wh/kg,由于锂电池一般都会掺杂其他物质,再加上正负极材料的影响,因此目前工业生产的锂电池能量密度普遍在 150-300Wh/Kg。由于需要考虑电池材料在使用过程中的稳定性,因此突破 300Wh/Kg 的电池制造技术只有少数厂商可以做到,比如特斯拉就在其中。最近 20 年来商用电池的研发基本都没有太大的突破,在化学电池这个领域里,如果人们找不到能够替换「锂」的新材料,基本上电池能量密度也没有突破的指望。也就是说,包括手机、无人机、电动车在内使用锂电池为主的智能产品,在相当长的一段时间内,电池的单次续航依然会明显受到限制,只能通过增加充电次数、加快充电效率等方式来解决。其次是安全问题。

     

    ▲ 三星 Note 7 手机当年因电池爆炸被民航禁运电池依然是一个易燃易爆的脆弱事物,坐飞机时电池不能托运只能随身携带就是其中一个表现。汽油车起火时,人们往往还有逃生时间,但若换成是电动车电池起火,基本是瞬间被火海淹没,车内人员生还的可能性比汽油车低得多。另外,高温状态下,电池内部的化学物质容易分解,导致起火。电池发生碰撞也有可能短路起火。第三个是锂离子电池的成本问题。为了让锂离子电池在使用时更加稳定安全,电池内部会添加各种化学物质,可以做到改善电池的温度特性、增加电池倍率等。这些物质包括钴、镍和其他稀有金属。

    ▲ 矿石开采难度与价格,图片来自:nature.com这些稀有金属在地球上的储量很有限,开采的难度也比较高,随着电动汽车电池的需求量日益增长,稀有金属原材料的价格也水涨船高。

    ▲ 有网友曾拆解 Model 3 的电池《自然》杂志曾统计,预计到 2025 年,全球每年生产 1000-2000 万辆电动车,按照每个电动车电池需要 10 公斤的钴,那么届时的电动车行业每年需要 10-20 万吨的钴。然而这个需求量已经是目前世界钴产量的大部分。锂离子电池的短板太多,电池技术在最近二十多年来基本是在缓慢前行。《自然》杂志的预测是:我们距离锂电子电池革命仅剩下 10 年。电池研发相当耗时,能用的新技术都在用
    电池研发是一件相当耗费时间的事情。比如研发人员电池的某个部分进行改进,那么就需要进行大量的充放电实验来验证效果。每一次充放电都是需要耗费时间和资源的。为了让电池研发人员可以更好地对电池剩余充放电次数进行预测,斯坦福大学、麻省理工学院与丰田研究所共同创建了一种人工智能,可以用来预测电池的性能和寿命。这个算法通过学习上亿次电池充放电的数据,因此能够在收集单个电池五次充放电周期的数据后,预测电池的剩余寿命,正确率为 95%。这项人工智能技术预计能帮厂商在研发电池时提速。

    ▲ 要这样换电池的手机慢慢变少了锂离子电池是近代最伟大的发明之一,它改变了很多电子产品获取电能持续工作的模式,让它们具有可移动、可携带的特点,进而影响了我们日常使用消费电子产品的方式。随着电池技术的提升,手机上的电池已经逐渐不用拆换,出门带上一块充电宝就变成一件理所当然的事。就目前而言,锂离子电池虽有诸多不足,但它依然是消费电子产品最好甚至是唯一的选择。在过去,有很多电子产品都是靠碱性干电池、纽扣电池供电续命,当时的用户可能没有想象过,装着高性能锂离子电池的产品会是怎样的。如今我们所使用的电子产品,也被电池技术的缓慢发展束缚,你可能没有想象过一部 iPhone 充一次电可以正常使用一周的场景。我想这样的手机会被卖疯吧。
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