问题

手机电池的发展遇到了什么瓶颈?现在出现了比较靠谱的新技术吗?

回答
手机电池技术的发展,尤其是锂离子电池,确实遇到了一些瓶颈,但同时也有一些令人兴奋的新技术正在涌现。下面我将详细阐述:

手机电池发展遇到的瓶颈:

目前的手机电池技术主要以锂离子电池为主,虽然在能量密度、循环寿命等方面已经取得了长足进步,但仍然面临以下几个关键瓶颈:

1. 能量密度提升的瓶颈(续航焦虑):
“能量密度魔咒”: 锂离子电池的能量密度已经接近其化学理论极限。进一步提升能量密度意味着需要使用更高活性的锂金属阳极或者更先进的阴极材料。
安全性与寿命的制约: 提高能量密度往往会增加电池的内部化学反应活性,这会带来安全隐患(如过热、起火)和循环寿命的缩短。例如,使用锂金属阳极虽然能大幅提升能量密度,但其易生成锂枝晶,容易刺穿隔膜,导致短路和安全问题。
材料选择的局限: 现有的正负极材料(如钴酸锂、镍钴锰酸锂等三元材料作为正极,石墨作为负极)的性能提升空间逐渐变小,新的高性能材料研发也面临成本、稳定性和量产性的挑战。
体积和重量: 即使在能量密度没有大幅提升的情况下,为了增加续航,厂商只能增加电池的容量,但这会直接导致手机的体积增大和重量增加,违背了手机轻薄化的设计趋势。

2. 充电速度的瓶颈(充电等待):
离子传输速率: 快速充电的核心在于如何在短时间内将更多的锂离子从电解液中传输到负极。离子在电解液和电极材料中的传输速率受到多种因素的限制,如电解液的离子电导率、电极材料的锂离子扩散系数等。
发热问题: 高电流充电会产生大量的焦耳热,如果散热不及时,会加速电池老化,降低电池寿命,甚至引发安全问题。手机内部空间有限,散热能力也受到限制。
电池寿命衰减: 过高的充电倍率(如1C、2C甚至更高)会加剧电极材料的体积变化和表面副反应,导致容量衰减和内阻增加,严重缩短电池寿命。
充电管理系统复杂性: 实现安全高效的快充需要复杂的电池管理系统(BMS),包括精确的电压、电流和温度控制。

3. 安全性与寿命的瓶颈:
热失控风险: 锂离子电池在过充、过放、短路、高温等极端情况下,可能发生不可控的化学反应,导致热失控,引发起火甚至爆炸。
循环衰减: 随着充放电次数的增加,电池内部材料会发生不可逆的结构变化,如SEI(固体电解质界面)膜的不断增长、电解液分解、电极材料的粉化等,导致电池容量逐渐衰减,内阻升高。
SEI膜问题: SEI膜虽然对保护锂离子电池是必需的,但其形成和生长会消耗活性锂,增加界面电阻,影响充放电性能,尤其是在快充和低温条件下。
电解液的稳定性: 有机电解液易燃,且在高温或电化学窗口外易发生分解,限制了电池的电压范围和工作温度。

4. 成本与环保的瓶颈:
稀有金属依赖: 许多高性能锂离子电池材料,如钴、镍等,属于稀有金属,价格波动大,且开采过程中存在环境和伦理问题。
回收处理困难: 废旧锂离子电池的回收处理技术复杂,成本高,目前尚未形成完善的回收体系。

现在出现的比较靠谱的新技术:

尽管面临诸多瓶颈,但电池技术的进步从未停止。以下是一些被认为是比较靠谱且有潜力解决现有问题的技术方向:

1. 固态电池(SolidState Batteries):

核心技术: 固态电池用固态电解质(取代了易燃易挥发的液态有机电解质)来传输锂离子。根据固态电解质的类型,又可细分为聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质等。
优势:
高能量密度潜力: 固态电池允许使用高容量的负极材料,如金属锂负极,从而大幅提升能量密度(理论上可达400500Wh/kg)。
安全性提升: 固态电解质不可燃,可以从根本上解决液态电解质带来的火灾隐患。同时,固态电解质的机械强度可以抑制锂枝晶的生长。
更快的充电速度(潜在): 部分固态电解质材料具有较高的离子电导率,有望实现更快的充电速度。
更宽的工作温度范围: 相比液态电池,固态电池通常能在更宽的温度范围内工作。
挑战:
界面电阻高: 固态电解质与电极材料之间存在较高的界面电阻,这是影响离子传输效率和电池性能的关键瓶颈。
固态电解质的制备和加工: 大规模、低成本地生产高性能、高稳定性的固态电解质材料,并将其集成到电池中,仍然存在技术和工艺上的挑战。
应力管理: 充放电过程中电极材料的体积变化可能导致固态电解质破裂,影响电化学性能。
成本: 目前固态电池的制造成本仍然较高。
进展: 许多公司和研究机构都在积极研发固态电池。例如,全固态电池(AllSolidState Batteries)是终极目标,但目前更现实的是混合固液电池(Hybrid SolidLiquid Batteries),即部分采用固态电解质。一些公司已经开始小批量生产,并计划在高端车型或特定产品中应用。

2. 硅基负极(SiliconBased Anodes):

核心技术: 将硅材料添加到传统的石墨负极中,或完全使用硅作为负极。硅的理论比容量(约4200mAh/g)是石墨(约372mAh/g)的十倍以上。
优势:
显著提升能量密度: 能够大幅提升电池的能量密度,这意味着更长的续航时间。
兼容现有生产线(部分): 通过掺杂和复合等技术,可以部分兼容现有的锂离子电池生产工艺。
挑战:
巨大的体积膨胀: 硅在充放电过程中会经历高达300%400%的体积变化,这种剧烈的膨胀会导致硅颗粒粉化、电极结构破坏,以及SEI膜的反复形成和脱落,严重影响电池的循环寿命和稳定性。
界面不稳定性: 巨大的体积变化导致硅与电解液之间的界面不稳定,增加了副反应。
导电性差: 纯硅的导电性较差,需要与其他导电材料复合。
进展:
硅碳负极(SiC Anodes): 是目前最主流的硅基负极技术。通过将硅纳米颗粒均匀分散在碳基体中,碳材料可以缓冲硅的体积膨胀,并提供良好的导电通路。
新型硅材料结构设计: 如硅纳米线、硅纳米球、多孔硅、硅合金等,以优化体积膨胀和提高稳定性。
电解液添加剂: 开发能稳定硅负极界面的电解液添加剂。
已经有手机厂商开始在商用手机中采用高比例硅碳负极,以实现更长的续航。

3. 锂硫电池(LithiumSulfur Batteries, LiS):

核心技术: 使用金属锂作为负极,硫作为正极的电池。硫具有极高的理论比容量(1675mAh/g),加上金属锂的理论容量(3860mAh/g),使得LiS电池的理论能量密度高达2500Wh/kg,远高于目前锂离子电池的水平(约250300Wh/kg)。
优势:
极高的能量密度潜力: 是目前最有可能实现超高能量密度电池的技术之一。
硫资源丰富、成本低廉: 硫是一种非常普遍且廉价的元素。
环保性好: 不含有钴、镍等贵金属。
挑战:
多硫化物的穿梭效应(Shuttle Effect): 充放电过程中,硫会转化为可溶性的多硫化物(Li₂Sx),这些多硫化物容易在电解液中扩散,迁移到负极侧,与金属锂反应,造成活性物质损失和库仑效率下降,严重限制了电池的循环寿命和倍率性能。
金属锂负极的稳定性: 与固态电池类似,金属锂负极的枝晶生长和界面反应是主要挑战。
导电性差: 硫和放电产物(Li₂S)的导电性都很差,需要大量导电剂。
体积膨胀: 硫的体积变化也较大。
进展: 研究主要集中在如何抑制多硫化物的穿梭效应,例如通过多孔碳材料、导电聚合物等作为载体来固定多硫化物,以及优化电解液和添加剂。一些研究已经能够实现较高的能量密度和一定的循环寿命,但离大规模商业化应用还有一定距离。

4. 钠离子电池(SodiumIon Batteries, Naion):

核心技术: 使用钠离子作为载流子,而不是锂离子。
优势:
资源丰富、成本低廉: 钠在地壳中的储量远高于锂,且价格便宜得多。
低温性能优异: 钠离子电池在低温环境下表现出比锂离子电池更好的性能。
安全性高(部分): 在某些设计下,钠离子电池的安全性可能更高。
避免对锂资源的依赖: 有助于缓解对锂资源过度依赖的风险。
挑战:
能量密度相对较低: 钠离子的半径和质量都大于锂离子,导致其在电极材料中的嵌入/脱嵌体积变化更大,充电电位也更低,限制了其能量密度(通常比锂离子电池低20%30%)。
材料体系尚不成熟: 虽然已有多种钠离子电池材料被开发出来,但很多材料的性能和稳定性还有待提高,尤其是在高电压区。
循环寿命: 部分钠离子电池材料的循环寿命仍需改进。
进展: 钠离子电池是目前发展非常迅速的二次电池技术之一,特别是在储能领域已经开始商业化应用。在手机领域,由于对能量密度的要求更高,钠离子电池可能更适合作为低端机型或作为补充能源(如快充备用电池)的选项,或者通过材料创新来提升能量密度。

5. 半固态/混合固液电池:

核心技术: 是介于液态电池和全固态电池之间的一种技术,结合了两者的一些优点。例如,使用含有凝胶态电解质或薄膜固态电解质的混合体系。
优势:
性能介于液态和全固态之间: 在安全性、能量密度和加工性之间取得一定的平衡。
部分克服界面问题: 相比全固态,界面接触可能更好。
生产工艺相对容易过渡: 相比全固态,可能更容易与现有锂离子电池生产线兼容。
进展: 这是目前很多厂商探索的方向,因为全固态电池的挑战依然巨大。一些公司正在开发使用凝胶电解质或复合固态电解质的电池技术,旨在提升锂金属负极的稳定性,或在能量密度和安全性上取得突破。

总结与展望:

目前,手机电池技术的发展正处在一个多技术路线并行探索的阶段。

锂离子电池的渐进式改进: 未来几年内,我们仍然会看到现有锂离子电池技术的持续改进,例如通过高镍低钴/无钴正极材料、新型硅碳负极材料、优化电解液和添加剂等手段,来缓慢提升能量密度、加快充电速度并改善安全性。
下一代电池的突破:
固态电池 被认为是颠覆性技术,一旦解决界面和规模化生产问题,将极大地改变电池格局,但其大规模应用可能还需要数年甚至十年。
硅基负极 是近期最有希望实现能量密度显著提升的技术,已经开始在商用产品中普及。
锂硫电池 和 钠离子电池 也在稳步发展,它们各有其优势领域和应用场景,未来可能在特定市场或与锂离子电池形成互补。

总而言之,手机电池技术的发展是一个不断权衡能量密度、安全性、充电速度、寿命和成本的复杂过程。虽然面临瓶颈,但科学研究和工程技术的进步正在不断突破,我们有理由期待未来更安全、更长续航、更快充电的手机电池的到来。

网友意见

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跟自己的专业相关,也答一个吧。

其实这题基本上是有标准答案的,深度懒惰者看这里:

电池技术为什么如此高深莫测,以至于一直是手机等相关行业的短板? - 哥淡定的回答 - 知乎 究竟是什么限制了电池的容量? - 陈远威的回答 - 知乎

但是因为最近量产了比较火热的新闻,我觉得有些问题该澄清的还是要澄清。

可能在各位读者看来,这只不过生活中再常见不过的东西了:

商业化的锂离子电池原理也很简单,人尽皆知:锂离子在正负极之间来回穿梭,简称“摇椅”电池。

但是答主却花费了大量时间来研究这个东西(的一部分),甚至电化学这整一门学科也一直贯穿在锂离子电池这个领域,难以自拔。究其原因:系统太过复杂。

但就跨越的学科而言,这个领域至少囊括了以下维度:

1.材料化学

2.固体物理(含结构化学)

3.电化学

4.化工原理

然而因为现在生活方式对于掌上设备是这样的依赖软件功能发展是这样的迅速互联网上的生活是这样的精彩,人们才意识到,花擦,怎么老是要充电?这傻逼扁片怎么这么难伺候?

锂离子电池的能量密度成为了你掌上生活挥之不去的附骨之蛆,a real pain in the ass······

然而,任何事物发展都是有(大量的)时间积累,电池也赫然在列。

熟悉科学史的朋友都知道,在1940年以前,锌锰类(Zn/MnO2)的一次电池牢牢占据着电子消费类产品的市场,直到60年代那会,碱性锌锰电池(Zn/KOH/MnO2)还是消费类的大当家,不过质量能量密度已经可以从40Wh/kg提升到100Wh/kg了,当然,即便是现在,碱性锌锰电池这种一次电池因为自身的低成本,还是能在很多地方得到发挥。然后就是一次的锂/二氧化锰电池(Li/MnO2等等)和锌空气电池(Zn-Air)在70年代的悄然冒头(其实人家也是在实验室内不断成熟完善),直接把质量比能量翻了一倍,提升到了250Wh/kg的水平。再来到80年代,一次的锂/二氧化硫(Li/SO2)和锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池在特殊领域被开发出来,而电池的质量比能量直达380Wh/kg。而事实上,干性聚合物电解质锂电池在80年代业已萌芽,它们的质量能量密度范围大致在220~280Wh/kg内,只不过这个分支一直处在研发阶段而且被视作二次电池,各种缘由就按下不表了。看下图:

截图来自

Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

回过头来,可充电的铅酸电池已经经历了商业化的100多个年头,而其质量能量密度也只是从最初的25Wh/kg渐渐的爬到先今的55Wh/kg,但是因为它具有较高的可靠性、低成本、适中的功率密度、可接受的循环性能等等优势,铅酸电池现在依旧是许多电动设备启动点火程序以及各种备用电池的主要选择。镍镉电池在镍氢电池和锂离子电池主导的90年代以前,一直是许多小型便携式电子设备的主要能源提供者,当然了,因为自身对环境所造成的冲击也导致其后续的市场份额大幅下滑。在80年代的早期,一种可充电式的钠硫电池被开发出来,在300°C的温度下,它能发挥出100~150Wh/kg的质量能量密度。如今,钠硫电池也是为负载调衡所用的大型固定电池的多种选择之一。镍氢电池带着50~80Wh/kg的能量密度轻轻地出现在1989年的市场上,几乎两年之后,它就见到了从索尼公司商业化的锂离子电池,电池的质量能量密度也稳中有升地从90Wh/kg涨到210Wh/kg。

从1950年到2010年这60年间,对于商业化的二次电池,它们的质量能量密度平均是每年增长3Wh/kg,如下图所示:

截图来自

Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

按照这个增长率,从现有的210Wh/kg(2010年)要达到New Energy and Industrial Technology

Development Organization(新能源及产业技术开发机构,以下简称NEDO)的500Wh/kg和700Wh/kg这两个目视可及的质量能量密度指标,分别需要再过100年和167年,也就是2110年和2177年。更加现实的说,在1990年到2010年这20年间的电储能系统的质量能量密度增长率因为锂离子电池的被发明和改进而被加速至年均5.5Wh/kg的速度,在上图中的实线段中显示。即便是根据这个速度,要达到NEDO的500Wh/kg和700Wh/kg这两个目标也分别要等到2064年和2100年。

在上面两张图内,大家也看到了,电池体系的能量密度以20~30年的区间段为一个稳定增长期,直到下一个新技术出现期为止。

纵观电池发展的历史,电池能量密度的提升往往是突变型的,采用新型的电池材料体系和结构设计,是可以大幅提高电池的能量密度,然而即便如此,从实验室的创新到产业的研发、开发再到商业化,路途漫漫,因为这中间容不得半点造假和糊弄!

就拿纳米材料来说,确实具备很多的有点,也可以在很多方面提升电池的性能(倍率性能、循环性能等等),然则其界面过大而产生的多重副反应以及其高昂的合成成本必须是企业考量产业化的两个重要指标。

再多说两句,最近一段时间以来,由于电池的重要性提高,新能源的口号响亮,持续有电池能量密度或者超级快充的大新闻出现,很多读者需要有一定的辨别力来去伪存真

我先为大家提供知乎上四条非常好的“正三观”答案:

如何解读新闻「中国科学家研制出石墨烯超强电池:充电 7 秒续航 35 公里」? 「世界首款石墨烯基锂离子技术产品于 7 月 8 日在北京钓鱼台发布问世」对电池行业有多大的影响?
石墨烯,尤其是石墨烯电池的未来前景如何? - 弗雷刘的回答 - 知乎
如何看待近日《自然》刊登戴宏杰教授在铝电池上的工作? - 哥淡定的回答 - 知乎

再者,电池体系是由电池材料上进行的主要反应(电子转移反应)综合而成,这也意味着每一种正负极材料的组合都具有一定的理论能量密度的上限,然而,因为实际体系中存在的大量的电化学复杂问题,最后的实际能量密度可能会对折甚至更低,大家不妨看看,几大类电池中,锂离子电池最常用的钴酸锂(LiCoO2)体系的能量密度实际/理论比是最高的,为58%:

截图来自

Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

由于氟不便于利用,所以没有必要去做锂氟电池,上表中也没有数据,锂空气电池没有数据的问题放到下面再说。

先今的很多方法实际上是对成品中活性物质质量的增加以及电池电极成分比例的改进,以提高体系的质量能量密度,但这种方法也逐渐接近极限(再改的话连着设备和结构也得改),这几年的能量密度增长有减缓的趋势。

来看这个反应:

你可以知道这个反应的吉布斯自由能:

根据能斯特方程的变形,我们可以得到电动势与吉布斯自由能的关系:

除以两个反应物的摩尔质量按照化学计量比的加和可以得到质量比能量:

根据法拉第定律,你还可以得到这个体系的理论比容量:

大家翻翻物理化学下册附录中的电极反应标准电动势,转移电子的数目,可以得到李泓老师他们计算得到的以下体系的理论能量密度:

截图来自

Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

把它们可视化以后,如下图:

目前来看,锂氧电池最具有潜力,但是因为空气电极需要大量的导电添加剂和催化剂,能量密度的实际/理论比值肯定没有锂离子电池钴酸锂体系要高,不可能到达58%。另外,对于容量较大的电池来说,还需要包括电池管理系统、线缆、冷却系统、传感器、固定框架或者保护罩等等,能量密度的实际/理论比值还会显著降低,因此锂氧电池有些虚高的理论比容量其实吓不了多少人。根据李泓老师他们的推测,锂氧电池的电芯的质量能量密度约为500Wh/kg左右。

去年,宝马公司的技术人员在《Journal of Materials Chemistry A》上面撰写了一篇综述,名为“Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective”,个人觉得还不错,他们是从产业的视角来考量现在电池正极材料的趋势(特别是改良的方向),并且按照现在不同的反应机理给出了不同体系的理论与实际容量,理论与实际电压的对比:

图片来自

http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/ta/c5ta00361j

很明显的,能量密度也并不是唯一的指标,产业界还需要同时兼具以下性能:

抛去复杂的电化学环境不谈,百尺竿头的今天,对于能量密度的哪怕是一丁点的安全提升都应该是喜大普奔。

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参考资料:

《锂电池基础科学问题(I)——化学储能电池理论能量密度的估算》

Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

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