【伟德betvlctor体育官网】电池大突破到底何时到来？三大难题难倒科学家

2024-11-14 18:09:01

本文摘要：电动飞机可能会沦为航空的未来。

电动飞机可能会沦为航空的未来。从理论谈，电动飞机比起传统飞机更安静、更加低廉、更加环保。如果电池一次电动飞机需要飞1000公里，它就可以已完成今天近一半的商务飞行中任务，让全球航空碳排放缩减15%。电动汽车也一样。

事实上，电动汽车不只环保，而且它还是更加篮的汽车。电机完全没什么噪音，需要较慢号召司机的命令。

给汽车电池的成本比烧油低廉得多。电动汽车只有很少的活动部件，确保成本更加较低。

为什么电动汽车还没普及呢？因为电池过于便宜，出售电动汽车的前期投放比相近的汽油汽车更大。除非你老是进着汽车，否则省下的汽油钱还过于填补前期缴纳成本的。非常简单来说，电动汽车依然过于经济。

按重量或者体积计算出来，目前的电池还无法用来驱动客机。人类必须在电池技术上获得突破，然后它们才能确实风行。电池便携设备转变了我们的生活，但电池受到物理原理的容许。

1799年，人类发明者第一块电池，自此之后的两个多世纪，我们大大研究，但是科学家依然无法几乎解读设备内部究竟再次发生了什么。我们只是告诉，如果想要让电池再度转变我们的生活，有三个问题必须解决问题：功率（power）、能量（energy）和安全性（safety）。没万能锂电池每一块锂电池都有两极：阴极和阳极。

大多锂电池的阳极是用石墨生产的，阴极却有多种不同的材料，明确要看电池用在哪里。从下面这张图中，你可以看见有所不同的阴极材料对电池性能的影响。功率的挑战许多时候，我们常常不会将Energy和Power混用，不过放到电池上，二者的含义有点有所不同。

Power代表能量的获释速度。我们管它叫功率。

如果想要让商务喷气式飞机电池一次飞1000公里，必须强劲的电池，在十分较短的时间内获释充足大的能量，在起飞时特别是在如此。所以说道，光是在电池中存储大量能量还过于，还要以迅速的速度获释。如果想要解决问题功率问题，就要了解理解一些商务电池的内部结构。

我们总是抹黑新的电池技术，主要是因为我们没了解仔细观察内部细节。在我们用于的电池中，最少见的化学物质是锂离子。

大多专家指出，在未来10年甚至更长的时间内，没其它化学物质可以打败锂最子。锂离子电池有两个电极（阴极和阳极），还有一个分离器（一种传导离子而非电子的材料，可以避免短路），分离器放到中央，还有电解液（一般来说是液体），它让锂离子在两极之间往返流动。当电池电池时，离子从阴极流向阳极，当电池静电时，离子向忽略的方向移动。我们不妨将它想象成两块面包，左边一块是阴极，右边一块是阳极。

我们不妨假设阴极是由镍、锰、钴片（NMC）构成的，阳极是由石墨构成的，它相等于让碳原子一层一层变换。在静电状态下，NMC面包在夹层之间不会有锂离子夹心。电池电池时，锂离子从夹层中萃取，不得不穿越液体电解质。

分离器保证只有锂离子能穿越石墨层。当电池几乎充满著电，阴极会有再有任何锂离子，它们全都规整排序在石墨块之间。当电池获释电能时，锂离子向阴极转往，直到阳极没任何锂离子。

此时我们就要再度给电池电池了。从本质上谈，电池的功率是由处理速度的高低要求的。

要想要加快速度没那么非常简单。将锂离子从阴极中提取，如果速度太快，层会损毁。

正因如此，手机、笔记本、电动汽车用于时间就越宽，电池寿命也仅有变长。每一次电池静电，都会让面包块显得薄弱。许多公司正在找寻更佳的解决方案。

有一种设想是这样的：用结构更加牢固的物质替代电极层。例如，瑞士电池公司Leclanch正在研发一种技术，它用磷酸铁锂（LFP）作为阴极，享有橄榄石型结构，用锂钛氧化物（lithiumtitanateoxide，LTO）作为阳极，它享有尖晶石型结构。用这样的材料制作电池，锂离子流动效率更高。

目前Leclanch早已将自己的电池放进无人驾驶叉车，9分钟就能充满著100%的电量。对比特斯拉超级充电器，它给特斯拉汽车充满著50%的电量约要10分钟。在英国，Leclanch正在部署，想要将自己的电池装有到较慢电池电动汽车上。电池装有在充电站，较慢从电网吸取电量，直到几乎充满著。

当汽车进车站，电池不会给汽车电池较慢电池。当汽车离开了，充电站的电池又开始电池。

Leclanchs的研究向我们证明，人类几乎有可能寻找更佳的电池化学物质，强化电池功率。不过到目前为止，人类还没寻找能量获释充足慢、可以符合商务飞机必须的电池。

一些创业公司正在研发小型飞机，最多可以跪12人，它们可以加装能量密度更加较低的电池，或者是电力混动飞机，当飞机起飞时用燃油，巡弋时用电池。惜，虽然研究的公司很多，但没一门技术相似商用。卡耐基梅隆大学电池专家VenkatViswanathan说道，显电动商务飞机必须的电池有可能还要几十年才能研究出来。

能量挑战Model3是特斯拉最低廉的汽车，起步价35000美元。汽车装备50千瓦时电池，成本约8750美元，占到了汽车总价的25%。比起前几年，这样的成本早已叛了很多。根据彭博新能源财经的报告，2018年锂离子电池的平均值成本约是每千瓦时175美元，2010年大约为1200美元。

按照美国能源部的计算出来，一旦电池成本降至每千瓦时125美元，享有并用于一辆电动汽车的成本就不会汽油汽车较低，最少在全球大多地区如此。并不是说道到时在所有细分市场及主要市场，电动汽车不会全面战胜汽油汽车，比如，宽续航卡车用电池驱动还不是很适合。

不过如果到了这一转折点，大家自由选择电动汽车就不会显得更容易，因为从经济看作早已可以拒绝接受了。要想要超过这一转折点，有一个办法就是减少电池的能量密度，向电池组挤进更好的千瓦时。

从理论上谈，我们在电池化学方面是可以做的，要么强化阴极的能量密度，要么强化阳极的能量密度，要么同时提高。在商用材料中，能量密度最低的阴极是NMC811（数字代表镍、锰和钴的比例）。

不过这种电极依然不极致。仅次于的问题是电池的充放电循环次数比较较较少，然后就没法用了。

不过专家预测，在未来5年内，行业研究人员将不会解决问题NMC811问题。如果知道做，用于NMC811的电池能量密度将不会提升10%甚至更加多。尽管如此，提高10%也并不是很多。在过去几十年里，经常出现不少创意，阴极的能量密度的确提升了，现在机会在于阳极。

生产阳极时，石墨依然占到主导地位。低廉、可信、能量密度也可以，这是它的优势。

不过与其它潜在的阳极材料比起，比如硅、锂，填充时石墨比较较为薄弱。从理论上谈，硅吸取锂离子时比石墨更佳。正因如此，一些企业设计阳极时，才不会尝试向石墨内挤进一些硅；特斯拉CEO马斯克曾说道，他的公司正在研发此类电池。

如果能生产出有在商业上不切实际的硅阳极（几乎用硅生产），那不会是众多变革。不过因为硅元素有一些自身特点，很难做。当石墨吸取锂离子时，体积会有过于大变化。

如果是硅阳极，在完全相同的条件持续性收缩到原本的四倍。真遗憾，你无法只是不断扩大外壳，让它适应环境收缩，收缩还不会毁坏硅阳极液体电解质膜（SEI）。你可以将SEI视作保护层，它可以维护阳极，就像铁分解铁锈一样，也就是所谓的氧化铁，它能起着维护起到。

当外面多了一层，与氧气的反应就不会滑行。在铁锈之下，铁的水解速度不会减慢，内部更加牢固。

当电池第一次电池时，电极不会构成自己的铁锈层，也就是SEI，将电极并未被风化的部分与其它部分分离出来。SEI可以制止其它化学反应，避免电极遭风化，保证锂离子需要尽量稳定地移动。

如果引进硅阳极，当我们用电池给其它设备电池时，每一次SEI都会分解成，每次电池之时再次构成。在每一个电池循环周期中，不会有一些硅被消耗。最后，硅消耗不会超过一定程度，然后电池就无法再用了。在过去10年里，一些硅谷创业公司大大找寻解决方案。

例如，SilaNano寻找一种方法，它将硅原子PCB在纳米壳内，里面有许多的空房间。这样一来SEI就不会在壳外构成，硅原子收缩是在内部再次发生的，每次充放电循环时会毁坏SEI。

SilaNano的估值超过3.5亿美元，它曾说道技术最慢2020年就不会用作设备。还有Enovix，它引进类似生产技术，将100%的硅阳极置放很大的物理压力环境，被迫它尽可能少吸取锂离子，这样一来阳极的收缩就不会受到限制，避免SEI损毁。Enovix获得了英特尔、高通的投资，预计它研发的电池不会在2020年用作设备。

从这些企业的研究看，硅阳极无法超过理论低能量密度。不过两家公司都说道，比起石墨阳极，它们的电极展现出更佳。第三方正在对电池展开测试。

安全性挑战为了充入更加多的能量，对分子展开修复，可能会影响安全性。自发明者以来，锂离子电池总是因为发生爆炸引发困难。1990年代，加拿大MoliEnergy开始将锂铁电池用作手机，月商用，不过到了现实世界，电池不存在发生爆炸隐患，Moli不得不解任产品，最后公司申请人倒闭。

公司一些资产被中国台湾企业并购，Moli自己现在依然旗号E-OneMoliEnergy的品牌名义销售锂电池。最近，三星GalaxyNote7也因为电池发生爆炸被解任，手机装备的是锂离子电池。2016年解任时，三星损失53亿美元。

锂离子电池依然有发生爆炸隐患，因为它们大多都用易燃液体作为电解质。感叹意外，液体需要精彩运输离子，但它们却更容易发生爆炸。有一种办法就是用于固态电解质。

不过固态电解质也有其它缺点。液体更加柔软，你不妨想象一样，将骰子扔到入水里和沙里，在水中它认识的表面不会比沙子多很多。目前，只有低能耗环境才不会用上固态电解质锂离子电池，比如网络传感器。

为了不断扩大固态电池的应用于范围，大家一般有两个自由选择：一是高温液体聚合物，二是室温陶瓷。下面依序解释一下：高温液体聚合物：聚合物是很长的分子链相连在一起。在日常应用于中，这种材料很少见，塑料袋就是由聚合物构成的。当一些聚合物冷却之后不会显得像液体一样，不过它们不像液体电解质那么易燃。

换言之，它们享有很高的离子电导率，就像液体电解质一样，但是没易燃风险。惜，聚合物也有自己的局限性。它们不能在105摄像机度以上工作，不合适手机。

不过我们可以在家用电池中引进，用来存储电网电能。最少有两家公司正在研发，一是美国SEEO，二是法国Bollor，它们都在开发新固态电池，用高温聚合物作为电解质。室温陶瓷：在过去10年里，有两种陶瓷向我们证明，在室温环境下，它的离子导电亲率和液体一样好，一是LLZO（锂，镧，氧化锆），二是LGPS（锂，锗，硫化磷）。

丰田与硅谷创业公司QuantumScape都在研发陶瓷锂离子电池。卡耐基梅隆大学专家Viswanathan说道：在未来2年或者3年，我们近于有可能会看见一些确实的陶瓷电池经常出现。最后只是均衡电池是一项大业务，市场规模还在快速增长。钱在那里，企业家也就涌进那里，带给各种创新。

不过电池创业公司处境艰苦，因为失败率比软件企业低。为什么？想要在材料科学领域获得突破是一件很难的事。电池化学家找到，当他们尝试提升一极时（比如能量密度），另一近于就不会巩固（比如安全性）。因为要保持平衡，想要在各个方面获得变革就不会很难，速度极快，还不会带给多种问题。

不过射击电池的专家也更加多，这是一个好消息。MIT专家Yet-MingChiang说道，与10年前比起，美国研究电池的科学家多了2倍，顺利的机率下降了。电池的潜力非常极大，考虑到挑战相当大，可玩性很高，当我们听见某人说道新的电池有多好时，最差还是带着猜测的眼光检视一下。

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