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人类的电池技术为什么停滞不前?

发布时间:2018-04-16 11:59 | 浏览次数:

人类的电池技术一直在发展,但发展的速度赶不上新科技对电量消耗

最明显的例子,就是手机电池了,现在人最担心的就是手机没电了。谈到停滞不前,十年前手机里的锂电池和现在的锂电池肯定没法比,可十年前手机用的是小的黑白屏,现在手机是5寸以上的大彩屏,以前手机只需要打电话或发短信,现在都是重度依赖,通讯,游戏,社交,娱乐统统在手机上,一天机不离手。

现在常用的锂电池已经是很成熟的技术

锂离子电池都已经应用了20年了,靠锂离子通过电解液在钴酸锂正极和碳负极间运动来实现充放电,基本原理很清楚,电池性能的进步空间有限了。最新的研究也都是开发出新型的正负电极材料,实现稳定的充放电循环,但科研进展报道的很多,但涉及到商业化应用,最大的问题就是制备成本过高。

当前也有一些石墨烯电池的研究和报道,更多的是炒作石墨烯的概念

例如,现在有一些石墨烯电池的研究和报道,但更多的是对石墨烯的概念炒作,他们也只是把石墨烯这种明星材料少量的添加到锂离子电池中去,算是掺杂了石墨烯的锂离子电池。石墨烯在电池里或者增加电解液的导电性用,或者直接掺在负电极材料中,有很多高性能的类似报道,然而综合性能也难以实现突破,受限于石墨烯材料的价格和制备工艺,短期也没法实现纯石墨烯电极的应用。

短期内,电池技术肯定一直在进步,期待有新鲜的技术能把电池技术突破,至于有些回答谈到核电池,这就不是我们民用的选择了。

量子实验室,专注科学问题,欢迎评论和关注。

 

的确,如你所言,在电池方面,目前研究的大有人在,但是能带来锂电池革命性进步的,恐怕几年内很难有人做到,锂电池恐怕还将陪伴人类走很长一段时间。在消费电子领域,以手机为例,现在提高电池的使用时长的方法,还只能是解决CPU、屏幕等耗电上。

为什么呢?

目前,应用于消费电子的锂电池,在负极材料方面大多采用石墨材料,正极方面多是钴酸锂。

锂电池的原理非常简单,就是正极、负极依赖于氧化还原反应,带电的锂离子在电解液中来回穿梭。目前,在消费电子领域,锂电池的正极用料是钴酸锂,负极用料也一直都是石墨。虽然在负极材料方面,石墨烯取得突破性进展,但是无法商业化,因为石墨烯太太太贵了。

所以,要实现电池的革命,就要从正负极的用料上做文章,要找到比石墨和钴酸锂更好、更便宜的搭档才行。而这一过程,需要不断的尝试,就像当初爱迪生发明灯泡一样,需要的不是智慧,更多的是运气了。

所以,目前业内人士对锂电池的进步也都持有比较悲观的态度。

当然,既然锂电池的处境这么尴尬,人类也在想如何跳过锂电池,寻求一种全新的电源解决方案。

现在比较热门的一个是无线充电,一个就是超级电容,还有一个是核电池(就跟钢铁一样滴)。

先说核电池,现在已经不是什么黑科技了,技术已经比较成熟,早在2006年,中国原子能科学研讨院就研制出了我国第一个钚238同位素电池,给探月工程准备的。

还有,核动力心脏其实也都研究出来了,但是呢,很遗憾的是,核能电池虽然技术已经日渐成熟,但还是太太太贵了。

再说超级电容。超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置功率密度高、循环寿命长、安全又可靠,现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域。但缺点就是,超级电容本身能量密度低,体积都比较大,什么时候能迷你化,那电池的革命也就来到了。

还有无线充电,其实它的普及也许就在一夜之间。毕竟,它所耗费的电能并不多,只是这个商业模式如何建立,目前还不确定。苹果已经开始采用这一技术,总体来说,无线充电是距离我们最近的一项技术了。

 

电池技术不是没有进步,而是一直在进步。

1.先说近的。以使用量最大的锂电池:18650圆柱形电池为例。大概10年前最大容量仅为2.6Ah。现在已经有3.6Ah容量的了。

2.再说稍远一些的。锂电池经历了满电电压4.10、4.20、4.35三个阶段,也就是最近20年的事情。伴随着满电电压的提高,实际上是材料改变带来的技术进步造成的。

3.其他电池。太久远的不说,说一些我们接触得到的。①一次性电池,以前是碳性干电池,现在基本是碱性电池,大电流放电得到很大的改善。②汽车电瓶,以前是铅酸蓄电池,里面是稀硫酸需要定期加水。现在是铅钙免维护电池,不需要加水了。③我们常用的5号充电电池(一号等一样)镍镉电池,被镍氢电池取代了(容量从500mAh涨到2000mAh用时不到20年)。

综上,电池一直在进步,我们之所以不满意主要有以下几点:

1.相对芯片的进步,电池进步比较慢。至少是最近40年来,芯片基本是以18个月翻一翻的超高速度在进步。放眼整个人类历史,也没有什么东西能够持续以这么高的速度提升这么长时间。电子计算机从最初的5000次/秒到现在太湖之光12.5亿亿次/秒。

2.便携电器的功能越来越多。为了实现越来越多的功能必然需要更多的电量,但是电池的进步跟不上我们的需求。以手机为例。刚开始大哥大砖头那么大只能打电话。后来手机越来越小,待机时间越来越长。10多年前待机一周的手机随便找。现在你要找待机一个月的功能手机也是有的。但是现在手机的功能已经远不是打电话了,听音乐、看视频、上网电脑的大部分功能。已经全部用电池供电了。对电池的要求能不高?

3.厂家的策略。厂家吸取了诺基亚的教训,一台手机用太久了,厂家就要死了。所以现在普遍设计手机一天一充,并留一点余量。按锂电池的寿命:500个循环寿命降到70%左右。大概2年后,手机就不能保证一整天的使用了,逼着你换手机。

 

如果和内燃机的发展做比较,锂电池的发展其实非常快,停滞不前的现象是不存在的。之所以会有电池技术停滞不前的感觉是因为现在的数字媒体太发达,三天两头都有关于新技术的新闻铺天盖地的推送给消费者,因此给了消费者“电池技术进步的速度太慢了”的错觉。

电池是一种电能存储装置,利用某些特殊的材料存储电能,然后以人们需要的方式释放出来。一个新电池技术要能普及,成本与安全性是最关键的两个指标,前面说过,电池必须以“人们需要的方式”释放能量,太快、太猛烈的释放是不安全的,控制能量的释放也是最困难的一部分。

从周期表来看,宇宙中的元素就那么多。但是,透过不同元素之间的组合、原子不同的排列方式等方法,能创造出许许多多有着神奇特质的材料,有些材料有着极为特殊的性质,但生产工艺复杂,因而成本极高,难以普及。

不过,任何有着巨大商业价值的材料,即使成本再高,都能随着时间的演进而降低成本,只要能大量生产,就能降低不良率,进而降低成本,普及到市场上。

读者们可以很明显的感受到,世界上新技术进步的速度越来越快,这是为什么呢?答案就在于运算成本越来越低,换句话说,就是同样成本下的计算效能越来越高。人类透过计算机的帮助,分析生产过程中获得的大数据,提升良率、降低成本,使得新技术以大家都能接受的价格快速进入市场。

对电池来说,其核心技术在于材料的研发,前面也说过,透过不同元素之间的组合、原子以不同的方式排列就会得到更先进的材料,如果是用过去不断试错的手段,就会投入多年的时间和大量的金钱,才能发展出一种新材料的低成本加工制造方式。如今,我们有了计算机,利用计算机模拟来“猜测”各种元素之间的组合是否能满足需求,因此大幅加速了新材料的研发、缩短了新材料进入市场的时间。

越先进的材料,需要的计算机运算能力就越高,这是为什么我们还需要等待一段时间才能在材料科技上有突破的理由。摩尔定律到目前为止一直有效,未来很长一段时间也会继续发挥作用,直到人类将光子电脑、量子电脑也商用化,到那个时候,计算机效能将是现在的千倍、万倍,新材料进入市场的速度会更快,电池技术无疑会达到一个新高度,一个类似科幻小说中描述的世界。

计算机的效能达到一个新高度,材料科学也就会达到一个新高度,两者是互相拉拔的,新材料也能让计算机用更少的能量提供更大的效能,半导体行业在过去半个世纪中就是这么发展过来的,而更高的计算能力也会协助我们开发出新的材料。

计算机一直在进步,所以材料就会不断进步,其结果就必然会发展出新的电池技术。所以,稍安勿躁,静候佳音。

 

 

谢邀!

自全世界进入和平时代后,全世界的科技技术都在高速的发展。从最初需要半个足球场大的计算机,计算能力不如现在智能手机的阿波罗登月器,到如今可以装进我们口袋的智能手机,科技进步了许多。

但在这几十年间,电池技术为什么没有大跃进呢?人类的未来是否被锂电池束缚了?就如同新能源汽车,最令人头疼的问题就是续航,如果续航问题得到大大提升,比如10000KM,哪里还有汽油车市场。

 

其实,电池技术一直在发展。我们之所以觉得电池技术没有发展,更多的是我们对电量的需求,远远超越了电池技术发展的速度,再加上很多厂商,都是在屏幕功耗上、处理器功耗上做功夫,继而有了这种错觉。如果拿十年前的电池与如今的锂电池做对比,就会发现,电量、体积、安全性都大大提升了。

除此之外,锂电池的发展现在处于一个瓶颈期,能量密度已经接近其物理极限。那未来的新型电池有哪些呢?吉普为大家盘点下:

锂电池的工作原理很简单,就是正极、负极依赖于氧化还原反应,带电的锂离子在电解液中来回穿梭。目前下消费电子领域,锂电池的正极用料是钴酸锂,负极用料是石墨,只要在正负极用料上做文章就会有新的突破。

 

负极材料:石墨烯

石墨烯是现在炒得非常火的应用材料,也掀起了一股石墨烯研发热潮。石墨烯的容量较高,可逆容量约700mAh/g,高于石墨类负极的容量,石墨烯良好的导热性能确保其在电池体系中的稳定性,石墨烯片层间距大于石墨,使锂离子在石墨烯片层间扩散通畅,有利于提高电池功率性能。总之一点,好于石墨。

但目前情况是批量生产工艺不成熟、价格高昂、性能不稳定,石墨烯是率先作为正负极添加剂在锂离子电池中使用。

更换锂离子:钠离子

钠离子电池的工作原理与锂离子相似,充电时,Na+从正极材料中脱出,经过电解液嵌入负极材料,同时电子通过外电路转移到负极,保持电荷平衡;放电时则相反。原理上,钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5。另外,钠资源约占地壳元素储量的2.64%,成本是低于锂。

但钠离子电池能量密度不及锂离子电池,在小型数码产品可能会少见它。

 

进一步进化:固态锂电池

我们用得最多的还是液态锂电池,而固态锂电池是相对液态锂电池而言,是指结构中不含液体,所有材料都以固态形式存在的储能器件。有几个有点:能量密度高、体积小、柔性化的前景、更安全。

固态锂电池也有成本高的问题,也不是具有特大创新力,但它却是容易实现的一种电池。

以上是吉普介绍的几种未来电池,当然未来电池还有很多研究方向,比如锂硫电池、锂空气电池、铝空气电池、锌空气电池,都是可能取代锂离子电池的。吉普只想告诉大家,不用太操心这些了解即可,自有厂家去头疼。世界末日了,会英雄挺身而出,而我们普通人只要做好被拯救的准备即可,简称:躺。

 

 

实际上,目前的电池应用领域,手机等终端设备的电池市场已经不再是最主要的板块了,随着电动汽车的迅速崛起,车用动力电池领域也同样值得关注。而且,这个领域对于电池的容量、寿命、安全性等要素的要求更为严格,也就催生了除锂电池之外的多种新型电池技术。

1、固态电池,这是一种使用固体电极和固体电解液的电池,凭借着功率密度较低、能量密度较高等优点,它成为电动汽车很理想的动力来源。根据市场调查公司的预计,2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术。

2、锂空气电池,凭借着阴极(以多孔碳为主)较轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里的优势,锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度。科学家认为,锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍,可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电,因此这种电池可以更小、更轻,目前全球不少实验室都在研究这种技术。

3、Li-S电池,Li-S电池是后锂离子电池时代的核心电池技术之一。S正极材料具有超高的能量密度,加之S的廉价易得、质量较轻等优点,使得其有望在2030年前实现进一步实用化。

4、锂离子电池,实际上,面对着竞争对手的步步紧逼,锂离子电池自身也在不断的改型进化之中。改良型锂离子充电电池打算将正负极换成更高容量的材料来实现,充放电次数可在3万次以上。实现目前约2倍能量密度、即200~300Wh/kg的改良型锂离子充电电池正在推进开发。

 

谢邀。这个问题目前已经有近130多个回答,可谓见仁见智。品胜君也来尝试回答一下,权当抛砖引玉。

准确地说,电池技术并非停滞不前,而是相对其他技术的日新月异来说,进步不是很明显。

一、锂电池本身的进步空间有限

锂电池在上世纪70年代左右被发明出来,直到90年代,索尼才生产出第一块能被商用的锂电池;到了21世纪初,锂电池才被大规模用于手机、笔记本等智能设备。

大家可以看到,电池发展到锂电池后,核心理论和原理30年来都没有大的突破。这是为什么呢?

锂电池是化学电池,其构成为正极、负极、电解质。通用的锂电池,正极材料是钴酸锂,负极材料是石墨。经过反复的试验研究发现,钴酸锂和石墨这两者的配合是最默契稳定的。

而且锂电池具有相当的优势:

1.环境友好,没有记忆效应。相比锂电池之前的镍氢电池等,否则每次充电都要充到100%,那可真的太麻烦了。

2.能量密度比较高,单位体积内能储存更多的电量。其他材料,要么根本喂不饱现在的智能设备,要么就要体积太大,不符合轻薄化的趋势。

3.锂电池的性价比是最高的。当下,关于电池最新的研究也都是开发出新型的正负电极材料,但涉及到商业化应用,最大的问题就是制备成本过高。

 

所以,要实现电池的革命,就要从正负极的用料上做文章,要找到比石墨和钴酸锂更限、更便宜的搭档才行,但这并不容易。

 

从另外一个方面说,电池技术没有重大突破真不是什么坏事,电池按兵不动,反而倒逼着其他硬件工艺、技术飞速发展。比如快充技术和无线充电就是最典型的。

二、未来最具潜力的锂电池新材料

(该资料来源于“新材料在线”经修改编辑)

锂电池的发展正处于一个瓶颈期,能量密度已经接近其物理极限。我们需要新的材料或者技术去实现锂电池的突破,以下几种电池材料被业内人士一直看好,或将成为打破锂电池障碍的突破口。

1、硅碳复合负极材料

数码终端产品的大屏幕化、功能多样化后,对电池的续航提出了新的要求。硅碳复合材料作为未来负极材料的一种,其理论克容量约为4200mAh/g以上,比石墨类负极的372mAh/g高出了10倍有余,其产业化后,将大大提升电池的容量。

2、钛酸锂

近年来,国内对钛酸锂的研发热情较高,钛酸锂的优势主要有:循环寿命长(可达10000次以上),属于零应变材料(体积变化小于1%),不生成传统意义的SEI膜;安全性高。其插锂电位高,不生成枝晶,且在充放电时,热稳定性极高;可快速充电。

3、石墨烯

石墨烯自2010年获得诺奖以来,广受全球关注,特别在中国。国内掀起了一股石墨烯研发热潮,其具诸多优良性能,如透光性好,导电性能优异、导热性较高,机械强度高。

鉴于石墨烯当前的批量生产工艺不成熟、价格高昂、性能不稳定,石墨烯将率先作为正负极添加剂在锂离子电池中使用。

4、碳纳米管

碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料,自身具有优良的导电性能,同时由于其脱嵌锂时深度小、行程短,作为负极材料在大倍率充放电时极化作用较小,可提高电池的大倍率充放电性能。

5、富锂锰基正极材料

高容量是锂电池的发展方向之一,但当前的正极材料中磷酸铁锂的能量密度为580Wh/kg,镍钴锰酸锂的能量密度为750Wh/kg,都偏低。富锂锰基的理论能量密度可达到900Wh/kg,成为研发热点。富锂锰基虽然克容量优势明显,潜力巨大,但限于技术进展较慢,其大批量上市还需时间。

6、动力型镍钴锰酸锂材料

一直以来,动力电池的路线存在很大争议,因此磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等路线都有被采用。磷酸铁锂虽然安全性高,但其能量密度偏低软肋无法克服,而新能源汽车要求更长的续航里程,因此长期来看,克容量更高的材料将取代磷酸铁锂成为下一代主流技术路线。

7、涂覆隔膜

涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等胶黏剂或陶瓷氧化铝。涂覆隔膜的作用是:1、提高隔膜耐热收缩性,防止隔膜收缩造成大面积短路;2、涂覆材料热传导率低,防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控。

8、陶瓷氧化铝

在涂覆隔膜中,陶瓷涂覆隔膜主要针对动力电池体系,因此其市场成长空间较涂胶隔膜更大,其核心材料陶瓷氧化铝的市场需求将随着三元动力电池的兴起而大幅提升。

用于涂覆隔膜的陶瓷氧化铝的纯度、粒径、形貌都有很高要求,日本、韩国的产品较成熟,但价格比国产的贵一倍以上。

9、高电压电解液

提高电池能量密度乃锂电池的趋势之一,目前提高能量密度方法主要有两种:一种是提高传统正极材料的充电截止电压,如将钴酸锂的充电电压提升至4.35V、4.4V。但靠提升充电截止电压的方法是有限的,进一步提升电压会导致钴酸锂结构坍塌,性质不稳定;另一种方法则是开发充放电平台更高的新型正极材料,如富锂锰基、镍钴酸锂等。

正极材料的电压提升后,需要与之配套的高电压电解液,添加剂对电解液的高电压性能起到关键性作用,其成为近年来的研发重点。

 

 

“电池没有进步”是一种错觉

电池技术一直没有进步,这其实是一种错觉,人类的电池技术一直都在进步,每一天都有新的科研成果产生。只不过,电池技术在不断进步的同时,科技的其他方面也在进步,所以会形成“人类的电池技术没有进步”的错觉。

举个例子,拿手机电池来说,手机用的锂离子电池经过了这么多年的发展,其实发展已经非常快了。

只不过,我们 15 年前用的手机是这样的 ↓↓↓

10 年前用的手机是这样的 ↓↓↓

今天,用的手机是这样的 ↓↓↓

从最开始很小的一块方形绿屏幕开始,手机屏幕的形态也在不断进化,十年前出现了 iPhone,重新定义了手机,也顺便重新定义了手机屏幕,人们开始在手机上滑来滑去,开始了指尖上的生活。

如今,屏幕越做越做,越做越长,处理器也越来越强劲,内存越来越大,功能越来越丰富,摄像头越来越好,这都对手机电池有着极高的要求。不得不说,手机这个产业更新迭代实在是太快了。以致于电池的发展技术有点跟不上,让人有了“电池技术没有进步”的错觉。


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一楼说到了无线充电技术,恰好我在这方面有一些了解,无线充电技术看似技术比较成熟,但是实际上还是无法解决一个问题:能量损失与充电效率的问题。

理论上,能量在传播的过程中无可避免的会损失,其中,固体的传播损失最小、液体其次,空气最差。所以所谓的无线充电从根本上是无法解决这一问题,即使技术有所突破和提高,只不过是损失多少的问题,但是随着传输距离的增加,损失将会越发增加。这是能量守恒的定理所决定的,所以无线充电只不过是看似具有前景,实际上不过是海市蜃楼罢了。

但是,如果同时满足以下两种情况,会使得无线充电不再是海市蜃楼:

1)充电速度的提升;

2)电的价格变得非常低;

实际上,当充电速度变得非常快的时候,无线充电本身的价值也就不高了(所以,直接解决充电速度的问题才是未来电池技术发展的关键)。

再来说说题目:人类的电池技术为什么停滞不前?

首先我得否决你这个问题,试想20年前与10年前的电池技术。与现在相比?没有进步?显然是不客观的,只是电池的进步没有跟上发展的需要,20年前,200MA的电池可以用好几天,但是2000MA的电池却用不了一天。

针对你的几个问题,我谈谈自己的一些看法,

1)未来什么会取代锂电池?

锂电池的功能是什么?当然是蓄电与充电,有一些情况会使得锂电池被替代:

A 电池技术的发展(材料学的发展),如楼上说的石墨烯,如果能解决成本问题,自然是一个替代;

B 能源技术的发展,如果用能量棒直接替代电池,那么是否还需要电池本身?如果人类的能源不再以电力为主,那么还需要电池么?锂电池自然也不需要了,当然,这不是短时间能够发生的事情。但也不要小看历史的偶然性,与科学技术的累积式爆发增长。

2)电池技术是否已经进步?

这是显然地,多年来,电池技术已经明显有所提升,就拿锂电池替代传统地化学电池来说,这本身就是一种进步,而一项新技术的发明还需要一段成熟的时间。锂电正在逐步走向成熟。

未来,只要需求足够大,技术不应当是太大的问题,在既有的科学体系框架内,只要足够的时间,问题迟早会得到解决。

3 )电池技术有何种进步?

A 单位体积蓄能的增加

B 充电时间与效率的增加

 

 

石墨烯其实不贵非常便宜,便宜到你震惊。工艺也是简单到你咂舌。所以利益集团不去推动,只拿着实验室级别的产品价格说事。不要以为高科技都是造福人类的,石墨烯推广开来,现在要有多少产业崩塌啊!

看到很多人的回复,我不禁想问,初中不是普及过化学吗?碳不知道吗?

看到很多无知的回答我不禁感叹!大家先看清回答的内容在喷。其次是原来实验室成本在一公斤几百万,现在工业化几十万,等大规模工业生产估计不过万。而且这不是新技术,只是再从实验室成果转向工业化过程中偶然的工艺方法促进的结果,令人惊奇的是这个方法简单化了。最关键的是价值利润远不如传统原料。

其他的问题你们自己想吧

还有人不理解吗?

我再给你举个例子。我们这有个高校化学领域世界有名。十年前的LED技术兴起,掌握了最新的材料技术并且迅速产业化了,成本很低。但是立项的时候,有很多投资商找他们建设LED制成品企业,一堆专家不干,非要搞原料生产。结果十年过去了,投资的企业成本还没回来,原料质量非常高全出口。但是价格从每公斤几百美元迅速掉到几美元。而且只有美国品牌企业才使用高级材料。国内的企业都嫌贵。这就是技术和资本的矛盾


人类的电池技术一直在发展,但发展的速度赶不上新科技对电量消耗

最明显的例子,就是手机电池了,现在人最担心的就是手机没电了。谈到停滞不前,十年前手机里的锂电池和现在的锂电池肯定没法比,可十年前手机用的是小的黑白屏,现在手机是5寸以上的大彩屏,以前手机只需要打电话或发短信,现在都是重度依赖,通讯,游戏,社交,娱乐统统在手机上,一天机不离手。

现在常用的锂电池已经是很成熟的技术

锂离子电池都已经应用了20年了,靠锂离子通过电解液在钴酸锂正极和碳负极间运动来实现充放电,基本原理很清楚,电池性能的进步空间有限了。最新的研究也都是开发出新型的正负电极材料,实现稳定的充放电循环,但科研进展报道的很多,但涉及到商业化应用,最大的问题就是制备成本过高。

当前也有一些石墨烯电池的研究和报道,更多的是炒作石墨烯的概念

例如,现在有一些石墨烯电池的研究和报道,但更多的是对石墨烯的概念炒作,他们也只是把石墨烯这种明星材料少量的添加到锂离子电池中去,算是掺杂了石墨烯的锂离子电池。石墨烯在电池里或者增加电解液的导电性用,或者直接掺在负电极材料中,有很多高性能的类似报道,然而综合性能也难以实现突破,受限于石墨烯材料的价格和制备工艺,短期也没法实现纯石墨烯电极的应用。

短期内,电池技术肯定一直在进步,期待有新鲜的技术能把电池技术突破,至于有些回答谈到核电池,这就不是我们民用的选择了。

量子实验室,专注科学问题,欢迎评论和关注。

 

的确,如你所言,在电池方面,目前研究的大有人在,但是能带来锂电池革命性进步的,恐怕几年内很难有人做到,锂电池恐怕还将陪伴人类走很长一段时间。在消费电子领域,以手机为例,现在提高电池的使用时长的方法,还只能是解决CPU、屏幕等耗电上。

为什么呢?

目前,应用于消费电子的锂电池,在负极材料方面大多采用石墨材料,正极方面多是钴酸锂。

锂电池的原理非常简单,就是正极、负极依赖于氧化还原反应,带电的锂离子在电解液中来回穿梭。目前,在消费电子领域,锂电池的正极用料是钴酸锂,负极用料也一直都是石墨。虽然在负极材料方面,石墨烯取得突破性进展,但是无法商业化,因为石墨烯太太太贵了。

所以,要实现电池的革命,就要从正负极的用料上做文章,要找到比石墨和钴酸锂更好、更便宜的搭档才行。而这一过程,需要不断的尝试,就像当初爱迪生发明灯泡一样,需要的不是智慧,更多的是运气了。

所以,目前业内人士对锂电池的进步也都持有比较悲观的态度。

当然,既然锂电池的处境这么尴尬,人类也在想如何跳过锂电池,寻求一种全新的电源解决方案。

现在比较热门的一个是无线充电,一个就是超级电容,还有一个是核电池(就跟钢铁一样滴)。

先说核电池,现在已经不是什么黑科技了,技术已经比较成熟,早在2006年,中国原子能科学研讨院就研制出了我国第一个钚238同位素电池,给探月工程准备的。

还有,核动力心脏其实也都研究出来了,但是呢,很遗憾的是,核能电池虽然技术已经日渐成熟,但还是太太太贵了。

再说超级电容。超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置功率密度高、循环寿命长、安全又可靠,现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域。但缺点就是,超级电容本身能量密度低,体积都比较大,什么时候能迷你化,那电池的革命也就来到了。

还有无线充电,其实它的普及也许就在一夜之间。毕竟,它所耗费的电能并不多,只是这个商业模式如何建立,目前还不确定。苹果已经开始采用这一技术,总体来说,无线充电是距离我们最近的一项技术了。

 

电池技术不是没有进步,而是一直在进步。

1.先说近的。以使用量最大的锂电池:18650圆柱形电池为例。大概10年前最大容量仅为2.6Ah。现在已经有3.6Ah容量的了。

2.再说稍远一些的。锂电池经历了满电电压4.10、4.20、4.35三个阶段,也就是最近20年的事情。伴随着满电电压的提高,实际上是材料改变带来的技术进步造成的。

3.其他电池。太久远的不说,说一些我们接触得到的。①一次性电池,以前是碳性干电池,现在基本是碱性电池,大电流放电得到很大的改善。②汽车电瓶,以前是铅酸蓄电池,里面是稀硫酸需要定期加水。现在是铅钙免维护电池,不需要加水了。③我们常用的5号充电电池(一号等一样)镍镉电池,被镍氢电池取代了(容量从500mAh涨到2000mAh用时不到20年)。

综上,电池一直在进步,我们之所以不满意主要有以下几点:

1.相对芯片的进步,电池进步比较慢。至少是最近40年来,芯片基本是以18个月翻一翻的超高速度在进步。放眼整个人类历史,也没有什么东西能够持续以这么高的速度提升这么长时间。电子计算机从最初的5000次/秒到现在太湖之光12.5亿亿次/秒。

2.便携电器的功能越来越多。为了实现越来越多的功能必然需要更多的电量,但是电池的进步跟不上我们的需求。以手机为例。刚开始大哥大砖头那么大只能打电话。后来手机越来越小,待机时间越来越长。10多年前待机一周的手机随便找。现在你要找待机一个月的功能手机也是有的。但是现在手机的功能已经远不是打电话了,听音乐、看视频、上网电脑的大部分功能。已经全部用电池供电了。对电池的要求能不高?

3.厂家的策略。厂家吸取了诺基亚的教训,一台手机用太久了,厂家就要死了。所以现在普遍设计手机一天一充,并留一点余量。按锂电池的寿命:500个循环寿命降到70%左右。大概2年后,手机就不能保证一整天的使用了,逼着你换手机。

 

如果和内燃机的发展做比较,锂电池的发展其实非常快,停滞不前的现象是不存在的。之所以会有电池技术停滞不前的感觉是因为现在的数字媒体太发达,三天两头都有关于新技术的新闻铺天盖地的推送给消费者,因此给了消费者“电池技术进步的速度太慢了”的错觉。

电池是一种电能存储装置,利用某些特殊的材料存储电能,然后以人们需要的方式释放出来。一个新电池技术要能普及,成本与安全性是最关键的两个指标,前面说过,电池必须以“人们需要的方式”释放能量,太快、太猛烈的释放是不安全的,控制能量的释放也是最困难的一部分。

从周期表来看,宇宙中的元素就那么多。但是,透过不同元素之间的组合、原子不同的排列方式等方法,能创造出许许多多有着神奇特质的材料,有些材料有着极为特殊的性质,但生产工艺复杂,因而成本极高,难以普及。

不过,任何有着巨大商业价值的材料,即使成本再高,都能随着时间的演进而降低成本,只要能大量生产,就能降低不良率,进而降低成本,普及到市场上。

读者们可以很明显的感受到,世界上新技术进步的速度越来越快,这是为什么呢?答案就在于运算成本越来越低,换句话说,就是同样成本下的计算效能越来越高。人类透过计算机的帮助,分析生产过程中获得的大数据,提升良率、降低成本,使得新技术以大家都能接受的价格快速进入市场。

对电池来说,其核心技术在于材料的研发,前面也说过,透过不同元素之间的组合、原子以不同的方式排列就会得到更先进的材料,如果是用过去不断试错的手段,就会投入多年的时间和大量的金钱,才能发展出一种新材料的低成本加工制造方式。如今,我们有了计算机,利用计算机模拟来“猜测”各种元素之间的组合是否能满足需求,因此大幅加速了新材料的研发、缩短了新材料进入市场的时间。

越先进的材料,需要的计算机运算能力就越高,这是为什么我们还需要等待一段时间才能在材料科技上有突破的理由。摩尔定律到目前为止一直有效,未来很长一段时间也会继续发挥作用,直到人类将光子电脑、量子电脑也商用化,到那个时候,计算机效能将是现在的千倍、万倍,新材料进入市场的速度会更快,电池技术无疑会达到一个新高度,一个类似科幻小说中描述的世界。

计算机的效能达到一个新高度,材料科学也就会达到一个新高度,两者是互相拉拔的,新材料也能让计算机用更少的能量提供更大的效能,半导体行业在过去半个世纪中就是这么发展过来的,而更高的计算能力也会协助我们开发出新的材料。

计算机一直在进步,所以材料就会不断进步,其结果就必然会发展出新的电池技术。所以,稍安勿躁,静候佳音。

 

 

谢邀!

自全世界进入和平时代后,全世界的科技技术都在高速的发展。从最初需要半个足球场大的计算机,计算能力不如现在智能手机的阿波罗登月器,到如今可以装进我们口袋的智能手机,科技进步了许多。

但在这几十年间,电池技术为什么没有大跃进呢?人类的未来是否被锂电池束缚了?就如同新能源汽车,最令人头疼的问题就是续航,如果续航问题得到大大提升,比如10000KM,哪里还有汽油车市场。

 

其实,电池技术一直在发展。我们之所以觉得电池技术没有发展,更多的是我们对电量的需求,远远超越了电池技术发展的速度,再加上很多厂商,都是在屏幕功耗上、处理器功耗上做功夫,继而有了这种错觉。如果拿十年前的电池与如今的锂电池做对比,就会发现,电量、体积、安全性都大大提升了。

除此之外,锂电池的发展现在处于一个瓶颈期,能量密度已经接近其物理极限。那未来的新型电池有哪些呢?吉普为大家盘点下:

锂电池的工作原理很简单,就是正极、负极依赖于氧化还原反应,带电的锂离子在电解液中来回穿梭。目前下消费电子领域,锂电池的正极用料是钴酸锂,负极用料是石墨,只要在正负极用料上做文章就会有新的突破。

 

负极材料:石墨烯

石墨烯是现在炒得非常火的应用材料,也掀起了一股石墨烯研发热潮。石墨烯的容量较高,可逆容量约700mAh/g,高于石墨类负极的容量,石墨烯良好的导热性能确保其在电池体系中的稳定性,石墨烯片层间距大于石墨,使锂离子在石墨烯片层间扩散通畅,有利于提高电池功率性能。总之一点,好于石墨。

但目前情况是批量生产工艺不成熟、价格高昂、性能不稳定,石墨烯是率先作为正负极添加剂在锂离子电池中使用。

更换锂离子:钠离子

钠离子电池的工作原理与锂离子相似,充电时,Na+从正极材料中脱出,经过电解液嵌入负极材料,同时电子通过外电路转移到负极,保持电荷平衡;放电时则相反。原理上,钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5。另外,钠资源约占地壳元素储量的2.64%,成本是低于锂。

但钠离子电池能量密度不及锂离子电池,在小型数码产品可能会少见它。

 

进一步进化:固态锂电池

我们用得最多的还是液态锂电池,而固态锂电池是相对液态锂电池而言,是指结构中不含液体,所有材料都以固态形式存在的储能器件。有几个有点:能量密度高、体积小、柔性化的前景、更安全。

固态锂电池也有成本高的问题,也不是具有特大创新力,但它却是容易实现的一种电池。

以上是吉普介绍的几种未来电池,当然未来电池还有很多研究方向,比如锂硫电池、锂空气电池、铝空气电池、锌空气电池,都是可能取代锂离子电池的。吉普只想告诉大家,不用太操心这些了解即可,自有厂家去头疼。世界末日了,会英雄挺身而出,而我们普通人只要做好被拯救的准备即可,简称:躺。

 

 

实际上,目前的电池应用领域,手机等终端设备的电池市场已经不再是最主要的板块了,随着电动汽车的迅速崛起,车用动力电池领域也同样值得关注。而且,这个领域对于电池的容量、寿命、安全性等要素的要求更为严格,也就催生了除锂电池之外的多种新型电池技术。

1、固态电池,这是一种使用固体电极和固体电解液的电池,凭借着功率密度较低、能量密度较高等优点,它成为电动汽车很理想的动力来源。根据市场调查公司的预计,2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术。

2、锂空气电池,凭借着阴极(以多孔碳为主)较轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里的优势,锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度。科学家认为,锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍,可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电,因此这种电池可以更小、更轻,目前全球不少实验室都在研究这种技术。

3、Li-S电池,Li-S电池是后锂离子电池时代的核心电池技术之一。S正极材料具有超高的能量密度,加之S的廉价易得、质量较轻等优点,使得其有望在2030年前实现进一步实用化。

4、锂离子电池,实际上,面对着竞争对手的步步紧逼,锂离子电池自身也在不断的改型进化之中。改良型锂离子充电电池打算将正负极换成更高容量的材料来实现,充放电次数可在3万次以上。实现目前约2倍能量密度、即200~300Wh/kg的改良型锂离子充电电池正在推进开发。

 

谢邀。这个问题目前已经有近130多个回答,可谓见仁见智。品胜君也来尝试回答一下,权当抛砖引玉。

准确地说,电池技术并非停滞不前,而是相对其他技术的日新月异来说,进步不是很明显。

一、锂电池本身的进步空间有限

锂电池在上世纪70年代左右被发明出来,直到90年代,索尼才生产出第一块能被商用的锂电池;到了21世纪初,锂电池才被大规模用于手机、笔记本等智能设备。

大家可以看到,电池发展到锂电池后,核心理论和原理30年来都没有大的突破。这是为什么呢?

锂电池是化学电池,其构成为正极、负极、电解质。通用的锂电池,正极材料是钴酸锂,负极材料是石墨。经过反复的试验研究发现,钴酸锂和石墨这两者的配合是最默契稳定的。

而且锂电池具有相当的优势:

1.环境友好,没有记忆效应。相比锂电池之前的镍氢电池等,否则每次充电都要充到100%,那可真的太麻烦了。

2.能量密度比较高,单位体积内能储存更多的电量。其他材料,要么根本喂不饱现在的智能设备,要么就要体积太大,不符合轻薄化的趋势。

3.锂电池的性价比是最高的。当下,关于电池最新的研究也都是开发出新型的正负电极材料,但涉及到商业化应用,最大的问题就是制备成本过高。

 

所以,要实现电池的革命,就要从正负极的用料上做文章,要找到比石墨和钴酸锂更限、更便宜的搭档才行,但这并不容易。

 

从另外一个方面说,电池技术没有重大突破真不是什么坏事,电池按兵不动,反而倒逼着其他硬件工艺、技术飞速发展。比如快充技术和无线充电就是最典型的。

二、未来最具潜力的锂电池新材料

(该资料来源于“新材料在线”经修改编辑)

锂电池的发展正处于一个瓶颈期,能量密度已经接近其物理极限。我们需要新的材料或者技术去实现锂电池的突破,以下几种电池材料被业内人士一直看好,或将成为打破锂电池障碍的突破口。

1、硅碳复合负极材料

数码终端产品的大屏幕化、功能多样化后,对电池的续航提出了新的要求。硅碳复合材料作为未来负极材料的一种,其理论克容量约为4200mAh/g以上,比石墨类负极的372mAh/g高出了10倍有余,其产业化后,将大大提升电池的容量。

2、钛酸锂

近年来,国内对钛酸锂的研发热情较高,钛酸锂的优势主要有:循环寿命长(可达10000次以上),属于零应变材料(体积变化小于1%),不生成传统意义的SEI膜;安全性高。其插锂电位高,不生成枝晶,且在充放电时,热稳定性极高;可快速充电。

3、石墨烯

石墨烯自2010年获得诺奖以来,广受全球关注,特别在中国。国内掀起了一股石墨烯研发热潮,其具诸多优良性能,如透光性好,导电性能优异、导热性较高,机械强度高。

鉴于石墨烯当前的批量生产工艺不成熟、价格高昂、性能不稳定,石墨烯将率先作为正负极添加剂在锂离子电池中使用。

4、碳纳米管

碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料,自身具有优良的导电性能,同时由于其脱嵌锂时深度小、行程短,作为负极材料在大倍率充放电时极化作用较小,可提高电池的大倍率充放电性能。

5、富锂锰基正极材料

高容量是锂电池的发展方向之一,但当前的正极材料中磷酸铁锂的能量密度为580Wh/kg,镍钴锰酸锂的能量密度为750Wh/kg,都偏低。富锂锰基的理论能量密度可达到900Wh/kg,成为研发热点。富锂锰基虽然克容量优势明显,潜力巨大,但限于技术进展较慢,其大批量上市还需时间。

6、动力型镍钴锰酸锂材料

一直以来,动力电池的路线存在很大争议,因此磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等路线都有被采用。磷酸铁锂虽然安全性高,但其能量密度偏低软肋无法克服,而新能源汽车要求更长的续航里程,因此长期来看,克容量更高的材料将取代磷酸铁锂成为下一代主流技术路线。

7、涂覆隔膜

涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等胶黏剂或陶瓷氧化铝。涂覆隔膜的作用是:1、提高隔膜耐热收缩性,防止隔膜收缩造成大面积短路;2、涂覆材料热传导率低,防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控。

8、陶瓷氧化铝

在涂覆隔膜中,陶瓷涂覆隔膜主要针对动力电池体系,因此其市场成长空间较涂胶隔膜更大,其核心材料陶瓷氧化铝的市场需求将随着三元动力电池的兴起而大幅提升。

用于涂覆隔膜的陶瓷氧化铝的纯度、粒径、形貌都有很高要求,日本、韩国的产品较成熟,但价格比国产的贵一倍以上。

9、高电压电解液

提高电池能量密度乃锂电池的趋势之一,目前提高能量密度方法主要有两种:一种是提高传统正极材料的充电截止电压,如将钴酸锂的充电电压提升至4.35V、4.4V。但靠提升充电截止电压的方法是有限的,进一步提升电压会导致钴酸锂结构坍塌,性质不稳定;另一种方法则是开发充放电平台更高的新型正极材料,如富锂锰基、镍钴酸锂等。

正极材料的电压提升后,需要与之配套的高电压电解液,添加剂对电解液的高电压性能起到关键性作用,其成为近年来的研发重点。

 

 

“电池没有进步”是一种错觉

电池技术一直没有进步,这其实是一种错觉,人类的电池技术一直都在进步,每一天都有新的科研成果产生。只不过,电池技术在不断进步的同时,科技的其他方面也在进步,所以会形成“人类的电池技术没有进步”的错觉。

举个例子,拿手机电池来说,手机用的锂离子电池经过了这么多年的发展,其实发展已经非常快了。

只不过,我们 15 年前用的手机是这样的 ↓↓↓

10 年前用的手机是这样的 ↓↓↓

今天,用的手机是这样的 ↓↓↓

从最开始很小的一块方形绿屏幕开始,手机屏幕的形态也在不断进化,十年前出现了 iPhone,重新定义了手机,也顺便重新定义了手机屏幕,人们开始在手机上滑来滑去,开始了指尖上的生活。

如今,屏幕越做越做,越做越长,处理器也越来越强劲,内存越来越大,功能越来越丰富,摄像头越来越好,这都对手机电池有着极高的要求。不得不说,手机这个产业更新迭代实在是太快了。以致于电池的发展技术有点跟不上,让人有了“电池技术没有进步”的错觉。


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一楼说到了无线充电技术,恰好我在这方面有一些了解,无线充电技术看似技术比较成熟,但是实际上还是无法解决一个问题:能量损失与充电效率的问题。

理论上,能量在传播的过程中无可避免的会损失,其中,固体的传播损失最小、液体其次,空气最差。所以所谓的无线充电从根本上是无法解决这一问题,即使技术有所突破和提高,只不过是损失多少的问题,但是随着传输距离的增加,损失将会越发增加。这是能量守恒的定理所决定的,所以无线充电只不过是看似具有前景,实际上不过是海市蜃楼罢了。

但是,如果同时满足以下两种情况,会使得无线充电不再是海市蜃楼:

1)充电速度的提升;

2)电的价格变得非常低;

实际上,当充电速度变得非常快的时候,无线充电本身的价值也就不高了(所以,直接解决充电速度的问题才是未来电池技术发展的关键)。

再来说说题目:人类的电池技术为什么停滞不前?

首先我得否决你这个问题,试想20年前与10年前的电池技术。与现在相比?没有进步?显然是不客观的,只是电池的进步没有跟上发展的需要,20年前,200MA的电池可以用好几天,但是2000MA的电池却用不了一天。

针对你的几个问题,我谈谈自己的一些看法,

1)未来什么会取代锂电池?

锂电池的功能是什么?当然是蓄电与充电,有一些情况会使得锂电池被替代:

A 电池技术的发展(材料学的发展),如楼上说的石墨烯,如果能解决成本问题,自然是一个替代;

B 能源技术的发展,如果用能量棒直接替代电池,那么是否还需要电池本身?如果人类的能源不再以电力为主,那么还需要电池么?锂电池自然也不需要了,当然,这不是短时间能够发生的事情。但也不要小看历史的偶然性,与科学技术的累积式爆发增长。

2)电池技术是否已经进步?

这是显然地,多年来,电池技术已经明显有所提升,就拿锂电池替代传统地化学电池来说,这本身就是一种进步,而一项新技术的发明还需要一段成熟的时间。锂电正在逐步走向成熟。

未来,只要需求足够大,技术不应当是太大的问题,在既有的科学体系框架内,只要足够的时间,问题迟早会得到解决。

3 )电池技术有何种进步?

A 单位体积蓄能的增加

B 充电时间与效率的增加

 

 

石墨烯其实不贵非常便宜,便宜到你震惊。工艺也是简单到你咂舌。所以利益集团不去推动,只拿着实验室级别的产品价格说事。不要以为高科技都是造福人类的,石墨烯推广开来,现在要有多少产业崩塌啊!

看到很多人的回复,我不禁想问,初中不是普及过化学吗?碳不知道吗?

看到很多无知的回答我不禁感叹!大家先看清回答的内容在喷。其次是原来实验室成本在一公斤几百万,现在工业化几十万,等大规模工业生产估计不过万。而且这不是新技术,只是再从实验室成果转向工业化过程中偶然的工艺方法促进的结果,令人惊奇的是这个方法简单化了。最关键的是价值利润远不如传统原料。

其他的问题你们自己想吧

还有人不理解吗?

我再给你举个例子。我们这有个高校化学领域世界有名。十年前的LED技术兴起,掌握了最新的材料技术并且迅速产业化了,成本很低。但是立项的时候,有很多投资商找他们建设LED制成品企业,一堆专家不干,非要搞原料生产。结果十年过去了,投资的企业成本还没回来,原料质量非常高全出口。但是价格从每公斤几百美元迅速掉到几美元。而且只有美国品牌企业才使用高级材料。国内的企业都嫌贵。这就是技术和资本的矛盾


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