为什么电池技术发展的这么慢?

作者:RightSouth  于 2015-5-31 23:08 发表于 最热闹的华人社交网络--贝壳村

通用分类:网络文摘|已有6评论


从苹果iPhone手机到丰田普锐斯混合动力车,电子设备的发展可谓日新月异。但十多年来,为这些设备提供动力的电池技术却裹足不前。为探究其原因,《财富》向几位研究人员,行为经济学家和电池行业高管提出了一个简单的问题:为什么电池技术的发展速度要比硬件慢这么多?

回顾一下苹果公司的iPhone或丰田 (Toyota) 普锐斯(Prius)混合动力车从最初型号到现有版本的发展过程,人们会发现技术行业一个常见的轨迹:性能翻倍提升,产品更精致,创造了无数就业岗位,甚至颠覆了整个行业。

iPhone在蜂窝网络中最大的理论下载速度已从2007年“2G” iPhone 的1兆字节/秒上升至如今 5s 型号的300兆字节/秒。其显示屏的像素密度增加了一倍多,摄像头已从廉价的配件转变为一种实用的照相工具,而且其软件能力要比 iPhone 诞生之时强大太多太多(即便是苹果应用商店如今也已发展到第二代了)。

同样,丰田的普锐斯混合动力车从2000年的邻家怪胎(以及明星彰显其环保态度的配饰)摇身一变为日本和加州最畅销的交通工具。当前车型引擎的重量较最初型号轻了20%(总功率增加了20%),而且单次充电后行驶的里程更长。有人会说,没有普锐斯,就不会有如今的特斯拉电动车(Tesla)。

然而在这些设备中,有一个组件这些年来一直没有变化,那就是锂离子电池。不管是在 iPhone,还是普锐斯,甚至是特斯拉S车型,锂电池用的还是1991年索尼公司 (Sony) 推出这一产品时所用的材料。当然,这并不是说人们没有针对这种电池进行过创新。设备制造商在充电效率、冷却、和控制进入手机、汽车、笔记本和USB元件的电流流量方面做得越来越好,但这些电池的芯却没有怎么换过。即便是特斯拉计划建造的50亿美元超大型电池生产厂生产的仍是锂电池组。

进一步的调查发现,人们对于哪一种电池技术可能能够取代锂电池仍是众说纷纭,甚至连这方面的谣言都是寥寥无几。

为探究其原因,(Fortune) 向致力于开发下一代电池的5名知名研究人员、一名行为经济学家和一名电池行业高管提出了一个简单的问题:为什么电池技术的发展速度要比硬件慢如此之多?

接下来你便会发现,答案的一成与化学有关,一成与心理学有关,而两成则与上述问题的反问有关:对于一项未经过二十年发展的新电池技术,一旦装上汽车,谁想成为首位驾驶该车的人?

当今的电池技术:密度大、发热量大、问题多
锂离子电池技术在很多方面都是移动电源的主力军。锂的原子量是3,如果你还记得中学化学的话,这意味着它有三个质子,非常轻,是除了氢和氦之外单位体积可填充密度最高的元素。芝加哥伊利诺伊州理工大学 (Illinois Institute of Technology) 物理学教授卡洛•塞格雷表示,锂的物理量为化学家们所熟知,我们几乎掌握了锂离子在电池中流动的方式。锂的优势在于,它非常轻,而且能够轻易地穿透隔离膜。而且其产生的电压是已知材料中最高的之一。

锂并不是锂电池里的唯一材料,其中还混有锰、磷酸铁和其他金属。为了产生电压,这种混合物会流经另一种材料:石墨、钛溶液、硅和不同形式的碳(依情况而定)。但是这一过程会在一个高密度空间内产生热量,需要采取一些冷却措施(例如,与特斯拉车身长度相当的液态冷却设备担负了大量的冷却工作)。传导锂离子的电解液增加了电池的重量。电芯的容量在一段时间后就会下降。充电会让锂离子回流。充满电解质的高密度锂电池在发热量超过一定程度之后有时会爆浆或爆炸,虽然这一情况很少见。
 
今后我们可能会使用空气
IBM研究院 (IBM Research) 科技部主任钱德拉塞卡尔•纳拉延是电池500项目 (Battery 500 Project) 的成员。该项目的目标是,开发能够提供行驶500英里路程所需电量的电池。IBM公司自身并不生产电池,而是与消费类产品制造商开展合作,将这一技术带到现实中。

经过多年的努力之后,纳拉延看到了锂-空气技术的前景,即用汽车自身补给的氧气取代石墨和其他的金属。这类电池可以变得更轻,更安全,而且供电时间也更长。但是研发新的混合物,将它们制成新材料,并检测其在数千辆汽车上的安全性,需要花费非常漫长的时间。

纳拉延说:“要得到这种范式,没有捷径可以走,我们唯有创建一种全新的化学反应,而这一点并非创新所能企及的。”

未来我们能做什么:纳米工程材料
德克萨斯农工大学(A&M University)教授、美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers)能源和可持续性纳米工程小组成员帕沙•穆克荷吉表示,现在还没到放弃锂离子电池的时候。我们可能仍会用它,但它将与我们在实验室中获得新能力的材料混合使用。

纳米工程师可能会对电池材料的分子结构进行深入研究,以加速电池单元电压的产生速度,并提升其转换效率。电解质携带锂离子的方式可能会发生改变,以杜绝“交通拥堵现象”,并缩短充电时间。人们可能会设计出更薄、更强大但伸缩依然自如的电池膜,这样,即便电池受热膨胀,也不会爆浆。

与此同时:着眼于长远
一年前,伊利诺伊理工大学的塞格雷从美国能源部获得了340万美元的奖金,用于开发汽车用“流体电池”。流体电池将其活性化合物储存在外部储罐中,然后流经电池结构内部。塞格雷的工作专注于开发具有足够活性和能量的液体介质,以抵消液体的重量劣势。

流体电池或许可以应用于汽车和电网,但却无法适用于手机或笔记本。与其他的研究人员一样,塞格雷深知,这将是一个漫长的实验过程,除非研究人员能够在偶然间发现几种能用于电池的不同材料组合。与此同时,“对于大多数人来说,这是一件尤为痛苦的事情,因为几年过后,电量没了,容量也下降了,然而电池供电的电子产品却在不断前进。”

过去几十年中,我们一直生活在摩尔定律(Moore's Law)当中。根据该定律,处理器中的晶体管数量每两年会翻一番,而这也说明了技术进步的稳定性。我们目前所面临的局势是,晶体管尺寸已接近原子水平,芯片无法容纳更多的处理器,而且我们对设备中一成不变的电池感到不满。

斯特拉赫维茨说:“适应升级很容易,得到的升级越多,对进一步升级的期望也就越大。在这个电子产品越来越好,性能越来越高的世界中,我们觉得这是我们应享有的权利。我们会问,‘为什么电池不能变得更好呢?’”

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发表评论 评论 (6 个评论)

2 回复 越湖 2015-5-31 23:15
不是在充电方面有突破性的发展吗?
2 回复 前兆 2015-5-31 23:59
谢谢你对电池发展状况的科普介绍!
2 回复 RightSouth 2015-6-2 02:44
越湖: 不是在充电方面有突破性的发展吗?
    Good memory. "手机充电只需30秒"? 别着急, 它原计划2016年底投入商业生产。
2 回复 RightSouth 2015-6-2 02:45
前兆: 谢谢你对电池发展状况的科普介绍!
Thanks for visiting!
2 回复 越湖 2015-6-2 10:51
RightSouth:      Good memory. "手机充电只需30秒"? 别着急, 它原计划2016年底投入商业生产。
市场一般要比技术晚20年。虽不一定准确,却也说明了一个道理。
2 回复 RightSouth 2015-6-3 02:26
越湖: 市场一般要比技术晚20年。虽不一定准确,却也说明了一个道理。
这是什么时候的事?它似乎不适用信息技术市场.

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