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動力電池技術為何停滯不前?革新技術尚未出現

發布時間:2019/8/2來源:深圳市邦凱電池股份有限公司
  

電池技術為何停滯不前?革新技術尚未出現

網易科技訊 12月4日消息 據國外媒體報道,當2009年蘋果重新設計MacBook Pro時,它采用了一種新型電池,使得電池續航能力比之前模型長了40%。這款筆記本電腦可以維持7小時,足以看2遍電影《阿拉伯的勞倫斯》,蘋果營銷總監菲爾·席勒(Phil Schiller)將這款電池稱為“革命性的”,但事實上它的確如此嗎?

過去20年間發生的科技飛躍實在令人瞠目結舌。計算機已經從功利主義的盒子轉變為由金屬和玻璃組成的線條明朗的矩形,且小到能夠放在口袋里。現在的設備要強大得多,一款新型智能手表的計算能力比阿波羅登月飛船的都要強大。然而,電池是另外一回事。

即便消費者電子產品制造商,從蘋果到三星,為了讓設備擁有更長的電池壽命投資了上百萬美元的科研資金,科技本身卻無法在未來幾年就發生翻天覆地的變化。但這并不會減緩高度依賴動力電池的小配件數量不斷上升的趨勢。

為什么動力電池技術停滯不前一直是研究人員討論的話題之一,很多人表示我們已經到達科學的極限。無論真正的原因是什么,消費者將需要竭盡全力高效利用需要電池驅動的設備。

兩條進化路線

為了理解具體的情況,我們必須考慮三個問題:電池制造商的過去、現在以及未來面臨的挑戰。美國加州高級電池初創企業恩維亞公司的聯合創始人和業務開發主管邁克爾·辛庫拉(Michael Sinkula)發現1995年電池里存儲的能量一直未發生特別顯著的變化,直到十多年后2007年電池存儲的能量才翻了一倍。自那時起,電池能量的增加從未超過30%。恩維亞相信直到2021年大多數電池存儲的能量可能都不會翻倍。

然而,一臺標準的手提電腦可以運行長達10小時,這是為什么呢?一般來說科技進步源于兩個單獨的推動力:不斷地縮小每一個零部件的大小和不斷改善管理所有部件的軟件。一臺電腦的大腦是它的微處理器,芯片可以為繪制圖片,或者輔助Facebook更新你好友的生日狀態進行必要的復雜計算。在過去的幾十年,工業界一直在努力縮小處理器的體積。隨著它們變得越來越小,它們所消耗的能量越來越少,因此電池壽命越來越長。

但電池另當別論。本質上來說,它們是金屬和化學物質的集合。連通電池意味著會有電流經過。而化學過程面臨的一個問題便是做的越小并不意味著變得越好。你可以設想它為一瓶飲料:杯子里裝的啤酒越少,你能夠喝到的啤酒也就越少。

在此之前,主要的電池發展都源于使用了新材料。當材料從鎳轉化為金屬鋰后,消費性電子產品的電池壽命極大的延長了。磷酸鋰鐵之父、現代電池發展的一名重要科學家約翰·古德伊夫(John Goodenough) 教授表示,現在的研究主要關注于改善鋰電池的壽命?!霸刂芷詒矸淺S邢?,” 古德伊夫說道,因此進步和提升變得越來越困難。

與1979年古德伊夫宣布取得了突破性進展使得現代電池變為可能的時期相比,現在研究電池問題的科學家數量明顯要更多,然而,可以試驗和研究的新材料卻已經匱乏。

智能手機能夠持續使用一周——而非只維持一天——所要求的是徹底革新的科技,而這樣的技術目前尚未出現。古德伊夫認為“延長電池壽命的下一個策略目前還是未知數?!?

通往鋰電池的道路

現代電池追溯到18世紀,當時科學家們意外發現了一種處理靜電的方法——將金屬棒插入內部裝滿鹽水、兩端涂有箔層的瓶子。用一只手接觸瓶子外部,而金屬棒接觸瓶子另一端,你就能體驗觸電的感覺了。

在《電池:便攜式電源如何引發了一場技術革命》一書中,亨利·施萊辛格(Henry Schlesinger)描述了科學家們如何研究這種名為萊頓瓶的設備。其中非常著名的發明家是詩人珀西·比?!ぱ├常?nbsp;Percy Bysshe Shelley)。年輕時的雪萊在妹妹的幫助下進行了實驗。他還得到了妻子瑪麗·雪萊的啟發,后者在自己創作的小說《弗蘭肯斯坦》里將電作為主要的情節設計。

就在小說《弗蘭肯斯坦》出版后不久,安納塔西歐·伏特(Alessandro Volta)發明了第一個被廣泛使用的電池伏打電堆,就是在銅板和鋅板中間夾上用鹽水浸過的卡紙或布片,一層一層堆起來的蓄電池。

當今的電池并未發生巨大的變化。切開電池內部,你可以看見由金屬,例如鋰制成的一種材料,和另一種材料(一般是碳)。兩種材料之間是某種類似于伏特200年前使用的布片的物質——由液體或者膠體包裹的塑料,目的是防止金屬發生相互作用,同時能夠讓原子自由移動。

當電池一端的金屬絲與另一端的相接觸,就產生了回路,電子會移動,從而產生電流,導致燈泡發光、立體聲音響發聲或者鎖上汽車車門。對現在的電子設備而言,最流行的可充電電池鋰離子電池已經被廣泛使用了20多年。

市場快速增長

電池是科技的命脈。 根據歐洲知名研究機構法國Avicenne Energy的估計, 1990年,隨著鋰離子電池涌入市場,全世界對電池的需求高達200000萬兆瓦時。這相當于444億個勁量極限AA鋰電池,足以環繞地球57次。截止20年后,也就是2013年,這一需求已經翻倍。

市場研究公司Lux Research預測截止2020年,僅用于驅動電子設備的電池花費將高達266億美元,比2014年大約增長了30%。大多數需求來自智能手機和平板電腦,預計兩者在未來6年將增加45%。用于交通,例如汽車的電池花費將翻倍,高達209億美元。

考慮到如此巨額的消費,研究人員正在努力改善電池壽命。即便如此,可以物質化的突破性進展寥寥無幾。此外,幾乎所有的主要研究首先都關注于在汽車和電網方面的應用。

科技巨頭,例如IBM,在加州圣何塞的阿爾馬登研究中心擁有一支專門研發電池技術的科學家小組。2009年,IBM投資了50萬美金要求幾名研究人員開發Battery 500項目:旨在打造一塊可以支持汽車跑500英里的電池,這意味著一次充電汽車就可以從舊金山行駛到洛杉磯,中途還能繞到沙灘上休息一會。

這一項目的關鍵是所謂的鋰空氣電池(The lithium-air battery),這種電池并不是依賴碳和其它金屬,而是以鋰離子為主,IBM和他的合作伙伴相信他們能夠創造一種充滿空氣的容器,后者能夠與鋰發生相互作用從而產生電流。如果他們是正確的,那么這種空氣電池的重量或可能減輕一半。

但其中存在一個問題:為了實現能量的可持續和再充電過程,你必須獲得純凈的空氣,但我們現在呼吸的空氣充滿了污染物和水?!澳閾枰底爸鎂換掌??!?IBM電池項目負責人溫弗里德·維爾克(Winfried Wilcke)說道。這意味著這將增加電池的大小、重量和復雜性。


其它的科學家,包括來自美國麻省理工學院和德克薩斯州大學的研究人員,都在考慮使用其它材料,例如硅、硫和鈉。然而很多相關的研究和開發都是針對汽車設計。將這種技術應用于消費性電子產品可能還需要再多等幾年。

有些消極的科學家描繪了一幅較為悲慘的前景,他們認為我們已經達到了電池能力的極限。而其他人,例如美國加州電池初創企業Imergy Power Systems首席執行官比爾·沃特金斯(Bill Watkins),則對電池的前景持樂觀態度?!按永炊疾灰凸酪蝗河滌兇愎豢蒲兇式鸕牟┦棵塹哪芰??!?沃特金斯這樣說道。(艾米麗)

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