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              物理

              手机又没电,烦,说好的超长待机啥时候实现?

              圆的方块 发表于  2018-10-08 17:24

              |· 本文来自“我是科学家”·|

              在电子产品已经渗入到人类生活的今天,耳边能听到最绝望的声音也许不再是“他/她怎么不爱我了??#20445;?#32780;是“啊~手机/电脑怎么没电了?”。

              手机没电,生无可恋!

              对于不少人来说,手机等电子产品早已变成“伴?#24405;丁?#30340;生活必备品,而手机对电池的依赖正像我们对手机的依赖一样(没它不行)。甚至可以说,人们对手机使用需求的日益增长和手机电量的飞速下降已成为?#35828;?#20195;人生活的主要矛盾之一。

              锂离子电池瓶颈到来

              近些年,关于锂离子电池的“突破”纷至沓来。“容量翻倍”、“续航持久”、“快速充满”等关键词,不断撩拨大众的神经。

              但随之而来的理性分析,又使这些浮华的辞藻盎然失色。人们纷纷抱怨?#25945;?#26631;题误人,并没有切实解决?#22771;?#30340;现状与困难。

              诚然,锂离子电池技术在不断进步。但从?#25345;?#23618;面讲,锂离子电池早已徘徊在举步维艰的瓶颈阶段。造成这一瓶颈的最根本原因,是所谓的“物理天花板”——锂离子电池存在理论的储能上限。

              很不幸,我们就要接近这个上限了。

              根据技术发展的“S型曲线”理论,一项技术大体是从出生、发展到瓶颈,直到被另一项技术所取代。锂离子电池也逃不出这样的宿命循环。

              电池技术发展的S型曲线

              当旧势力增长乏力的时候,新的势力总能异军突起,支撑起新的发展。在接替锂离子电池的众多技术中,锂空气电池,可能是个答?#28014;?/p>

              若要谈及未来,我们也不敢放下百分之百的论断,只是提供一种接替“锂离子电池”的技术备选。

              初显锋芒,锂空气电池步履蹒跚

              虽然名称近似,但“锂离子电池”和“锂空气电池”是全然不同的两个体系,所涉及的原理也大相径庭。

              “锂空气电池”这个概念,最早见于1970年代。它的核心原理,是让锂与空气中的氧气进行?#20174;Γ?#23558;产生的能量直接转为电能。

              锂空气电池工作原理示意图,图片来源:Pixabay

              这就如同烧?#23601;?#25110;烧煤炭,作为人类获取能源最普遍的方式,?#36855;?#26009;与氧气直接?#20174;Γ?#25152;带来的是极高的能量释放。据计算,锂空气电池的能量密度可以达到?#22771;?#20811;12000瓦时,这一数值几乎是锂离子电池的10倍,甚至接近了汽油的能量水平(?#22771;?#20811;13000瓦时)[1]

              锂与空气的这看似简单组合,将电池技术的物理天花板,提升了整整一个数量级!而且,它使用的氧气来自于空气,这部分原料近乎无限。

              然而,事情注定不会如?#24605;?#21333;。在这方兴未艾的背后,潜藏着的,仍然是一篇混沌:锂空气电池中发生的?#20174;?#22826;过复杂,还伴随着无数的副产物生成。甚至很多科学家们会感觉自己的研?#31185;?#23454;是“玄学”。

              2016年,来自美国和?#20998;?#30340;几位锂空气的专家凑在一起,为《自然·能源》写了一篇介绍锂空气电池发展现状的文章[1],里面开篇就是一句:“在基础层面,我们对(锂空气)电池中的?#20174;?#36807;程所知甚少。”随后,又说:“没人知道锂空气电池是否会成为一项技术,但是为了社会发展和人类未来,我们应该尽力而为去探究(锂空气电池的)可能性”。

              也就是说,经历了近50年的发展,这个领域中最杰出的学者,面对世人时,却只能低声地叹息: 我们几乎一无所知”

              比起那些“充电10分钟,续航1000里”的报道,这绝对是一篇“谦虚”的论文。 因为学者们都心里有数,人类在锂空气的研究?#24184;?#32463;栽了太多跟头。

              有个?#30340;?#30340;八卦,说是一位很有名望的科学家发了一篇锂空气电池的文章,达到了一个很棒的性能,可别人怎么也重复不出来。后来发现,他所做的锂空气电池中,发生?#20174;?#30340;其实是集流体和电池壳,而不是预想的金属锂。最后?#20540;棉限问?#22330;。

              甚至有些科研巨头也难逃锂空气的诅咒。

              从最早的移动原子到后来的量子计算,美国IBM公司在微观科学领域,可以说是执牛耳者。他们就曾想攻下锂空气电池这个山头。IBM在2009年推出一项名为“Battery 500”的计划,希望能开发出一套让电动车行驶500公里的锂空气电池。项目伊始,他们设想在2013年造出原型机,2020年实现商业化生产。

              但是,2012年之后, “Battery 500?#26412;?#25115;然而止了,很?#35328;?#32593;上搜到其只言片语。如果不是IBM?#24184;?#38634;藏,那就只能说明,这个计划已然搁?#22330;?#20063;有传言说IBM并没放弃,而是转向了其他方?#28014;?#20294;这些江湖传?#29275;?#25105;们也只能?#20204;?#21548;之,真假难辨。

              IBM官网关于"Battery 500"项目的介绍,最后一项研究成果发表于2011年。图片来源:IBM.com

              不断探索,迷雾中曙光初现

              虽然前路漫漫,但锂空气电池却也在悄然生长,缓缓发展。让我们从IBM“失败”之后开始叙述,看看在蓝色巨人倒下后,又发生了什么。

              首先,需要回顾一下锂空气电池的基本要点。一块锂空气电池,由负极(金属锂)、正极(空气中的氧气)和电解液组成。虽然只有简单的三个部分,但每一部分的研究都面临着巨大的挑战。

              以电解液为例。此前,常用于电池中的电解液是聚碳酸酯,它们不仅易?#23478;?#29190;,而且在充放电时会不断侵蚀电极,基?#26087;?#20960;次充放电后,一块锂空气电池就算报废了。

              2012年,来自牛津大学的化学家?#35828;謾?#24067;鲁斯提出把聚碳酸酯换成一种名叫二甲基亚砜(DMSO)的导电液体。这种新型电解液就不那么容易与电极发生?#20174;Α?#20110;是,他们成功地让锂空气电池稳定循环了100次[2]

              然而,随着研?#21487;?#20837;,很多人开始对这个电解液产生质疑。原因倒不是出自二甲基亚砜?#26087;恚?#32780;是源自一种锂空气?#20174;?#36807;程的中间产物——过氧化锂(Li2O2)。过氧化锂是一?#26234;?#27687;化剂,会把二甲基亚砜氧化二甲基砜,从而造成电池性能的极大衰减。

              有的研究组发现,因为这个氧化现象太?#29616;兀?#20182;们的电池循环?#24605;?#21313;次后,整个电解液都变?#25628;?#33394;。人们甚至推测,布鲁斯的团队当初之所以循环100次,正因为这是二甲基亚砜保质的上限。

              随后的进展来自于美国阿贡实验室。这家老牌研究所诞生于二战时期,曾制造出人类历?#39134;系?#19968;个可控核?#20174;Χ选?#20919;战之后,阿贡实验室的研究转向于能源方向,成为电池领域最受尊敬的机构之一。

              美国阿贡实验室电池研究小组。

              一个来自阿贡实验室的团队,通过将一种名为离子液体的材料与二甲基亚砜混合,成功地增强了电解液的稳定性。此外,他们还利用纳米技术,在原有电极的表面增加了一层保护膜。这两方面的设计,极大的降低了副?#20174;?#30340;发生,这个团队成功地将锂空气电池的循环记录提高到了750[3]

              这个重要的进步激发了?#25945;?#19982;大众的兴趣,一时间宣传文案铺天盖地,甚至有人开始宣称“锂空气电池的时代已经到来”。

              能够循环750次的锂空气电池的原型机。图片来源:UIC.edu

              然而,研究电池的?#30340;?#20154;士却选择沉默。因为他们知道,无数问题仍然盘旋在锂空气电池领域。其中,最难过的坎,就是Li2O2的问题仍然存在。阿贡实验室的改进,只是减缓了这?#26234;?#27687;化剂腐蚀电极的速度,然而这个安全隐患,仍然蛰伏在锂与空气的?#20174;?#20043;中。

              针对这一问题,人们要返璞归真到热力学的本?#25163;?#21435;寻找答?#28014;?/p>

              我们都知道,温?#28982;?#23545;一个化学?#20174;?#30340;进行产生巨大影响。如果将环境温度提高到150℃以上,那么,锂和氧气的?#20174;?#23601;会优先生成氧化锂(Li2O)。Li2O的氧化性就相对温和,对电极的腐蚀作用也要缓慢很多。

              不同温度中,锂与氧气?#20174;?#30340;自由能,数值?#38477;头从?#36234;容易发生。图片来源:参考文献[4]

              然而,150℃啊!在这个温度下,作为有机物的二甲基亚砜,一定会起火爆炸。

              ?#28909;?#22914;此,我们就再换一种电解液吧。在近期《科学》?#21448;?#30340;一篇报道上,来自加拿大的科学家们,就使用熔盐作为电解?#33322;?#20915;了这个问题,

              他们将两种硝酸盐(LiNO3和KNO3)混合,并加热到150℃。此时,这种混合物会融化成液态。使用这个液态的熔盐,再配合上新设计的电极材料,居然成功规避掉了暴躁的Li2O2。在他们的实验台上,整个锂空气电池平?#20173;?#34892;了起来,而且中间产物全部是温和的Li2O。更令人?#32769;?#30340;是,研?#31354;?#21457;现这种全新的锂空气电池,表现出了更强的储能能力!

              不同中间产物对锂空气电池的影响示意图。图片来源:参考文献[5]

              虽然储能能力变得更强大,但无论怎么看,150℃都不是一个友好的温?#21462;?#24456;难想象,怎么将一个堪比铁板烧的电池放进手机后盖,或者坐在热腾腾的电炉子上开?#20302;?#21220;。对于这一问题,研?#31354;?#26242;时也没有找到合适的应对方法,这无疑给锂空气电池的实际使?#20040;?#26469;了障碍。

              旧技术,成熟与衰落;新技术,诞生与波折。电池的发展,无可幸免伴随着这些起伏与迷茫。一个问题的解决,又引出了另一个,甚至另几个新问题。

              在看不到尽头的往复中,锂空气电池,是否还能给人类一个储能的答案?

              拭目以待。(编辑:Yuki)

              参考文献:

              1. Advances in understanding mechanisms underpinning lithium–air batteries.?Nature Energy, 2016, 1, 16128.
              2. A Reversible and Higher-Rate Li-O2?Battery. Science 2012, 1223985.
              3. A lithium–oxygen battery with a long cycle life in an air-like atmosphere. Nature, 2018, 7697, 502.
              4. A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide. Science 2018, 361, 777.
              5. Hot lithium-oxygen batteries charge ahead. Science, 2018, 361, 758.

              热?#29260;?#35770;

              • 2018-10-10 08:19 拼音佳佳2

                发生?#20174;?#30340;其实是集流体和电池壳


                于是他歪打正着,用集流体和电池壳的材料发明出了新型号高性能蓄电池,大获成功^_^

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              • 2018-10-08 17:55 天降龙虾

                150度的话,可以做成卡车?#31185;?#36710;应该也有戏。。但手机是别想了。。。

                [7] 评论
              • 2018-10-12 11:18 扬帆大海

                苹果手机每年都说比上一代省电20%~40%,请问谁感到续航延长了?←_←

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              全?#31185;?#35770;(22)
              • 1楼
                2018-10-08 17:55 天降龙虾

                150度的话,可以做成卡车?#31185;?#36710;应该也有戏。。但手机是别想了。。。

                [7] 评论
              • 2楼
                2018-10-09 09:07 q68257962

                如果不降低手机功耗,你们要的超长待机就完全等于增大能量密?#21462;?#33021;量密度增加几乎是一定伴随着易?#23478;?#29190;啊。

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              • 3楼
                2018-10-09 14:52 上条大雄

                不是说石墨烯电池挺有前景吗,有这方面的进展吗。另外,

                “锂空气电池”这个概念,最早见于1970年代。它的核心原理,是让锂与空气中的氧气进行?#20174;Γ?#23558;产生的能量直接转为电能。

                这个是不是就是所谓的燃料电池?


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              • 4楼
                2018-10-09 16:04 在雨夜

                不如设计一个火柴盒大小的微型的柴油发电机·······

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              • 5楼
                2018-10-10 08:19 拼音佳佳2

                发生?#20174;?#30340;其实是集流体和电池壳


                于是他歪打正着,用集流体和电池壳的材料发明出了新型号高性能蓄电池,大获成功^_^

                [7] 评论
              • 6楼
                2018-10-10 15:41 ?#32791;?#25300;wang

                我还在石墨烯的树上,看来这辈子是下不来了~~~~

                [1] 评论
              • 7楼
                2018-10-12 11:18 扬帆大海

                苹果手机每年都说比上一代省电20%~40%,请问谁感到续航延长了?←_←

                [5] 评论
              • 8楼
                2018-10-12 14:22 企鹅骑士队长

                150摄氏度对于电动汽?#36947;?#35828;安全性倒不是问题,常用的燃油汽车的很多部件正常工作温度都远超这个数。不过维持150度?#26087;?#23601;需要消耗大量能量,抵消了储能能力。如何让电池频繁启动停止也是问题。

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              • 9楼
                2018-10-12 15:34 Karlson

                合着这几年看到的所有有关电池突破性进展都是假的啊?

                之前不是有人说将锂电池的容量提高了10倍来着?敢情那就是将体积增大了10倍?不然他?#21450;?#38146;电池的极限给突破了?

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              • 10楼
                2018-10-13 08:05 路小艾

                氢燃料电池已经在大规模商业化前夜了……估计是等不到锂空气电池了。

                [1] 评论
              • 11楼
                2018-10-13 11:06 游侠Crusader
                引用@上条大雄 的话:不是说石墨烯电池挺有前景吗,有这方面的进展吗。另外,这个是不...

                不是,燃料电池是以氢为燃料,通过氢和氧?#20174;?#20135;生电能,最终产物只有水,而且是不可逆的,要不断的消?#37027;狻?/p>


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              • 12楼
                2018-10-13 17:19 SXZ_

                s8感觉良好

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              • 13楼
                2018-10-13 20:21 常易123

                150度?不是可以加装一台蒸汽机了!做车有戏啊

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              • 14楼
                2018-10-14 13:46 海子不可用

                科普下石墨烯电池吧,已经被各种微商和无良?#25945;?#29609;坏了

                [1] 评论
              • 15楼
                2018-10-15 10:24 拼音佳佳2

                燃料电池这块,氢只?#35270;?#20110;宇航,一是发电,二是制水,无可替代.民用就太贵了.

                锂是太活泼了,所以一直进展不大.

                镁铝锌也可以的吧,不过好像也是没有什么进展...

                [0] 评论
              • 16楼
                2018-10-16 08:18 上条大雄
                引用@游侠Crusader 的话:不是,燃料电池是以氢为燃料,通过氢和氧?#20174;?#20135;生电能,最终产物只有水,而且是不可逆的,要不断的消?#37027;狻?/blockquote>

                谢谢解惑

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              • 17楼
                2018-10-16 14:47 好梦甜甜
                引用@上条大雄 的话:不是说石墨烯电池挺有前景吗,有这方面的进展吗。另外,这个是不是就是所谓的燃料电池?

                如果是燃料电池并且用锂做燃料的话,电池里面平时?#29615;?#38146;,随用随加,跟烧煤一样→_→

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              • 18楼
                2018-10-16 14:48 好梦甜甜
                引用@企鹅骑士队长 的话:150摄氏度对于电动汽?#36947;?#35828;安全性倒不是问题,常用的燃油汽车的很多部件正常工作温度都远超这个数。不过维持150度?#26087;?#23601;需要消耗大量能量,抵消了储能能力。如何让电池频繁启动停止也是问题。

                真的觉得对于汽?#36947;?#35828;,150度一点都不是问题啊

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              • 19楼
                2018-10-17 13:46 百步星

                看的出来

                [0] 评论
              • 20楼
                2018-10-19 19:42 等待等待等待等待

                我认为待机时间这个难题无解。原因不是电池技术发展慢,而是相应设备的功能也会持续不断地复杂化,从而吃掉新增的这些电量。


                想想当初功能机做到4-7天待机是没问题的。现在智能机电池虽然更大,但屏幕,网速什么的,待机时间还更短。


                再一个例子就是PC。配合DOS?#33579;?86已经很快了。但要跑好Win95,那还得上Pentium.

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              • 21楼
                2018-10-27 09:39 YIV

                对于几百度的内燃发动机来说,150度已经很冷静了啊

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              • 22楼
                2018-12-20 09:59 回马枪

                [blockquote]引用@Karlson 的话: 合着这几年看到的所有有关电池突破性进展都是假的啊?之前不是有人说将锂电池的容量提高了10倍来着?敢情那就是将体积增大了10倍?不然他?#21450;?#38146;电池的极限给突破了?[/blockquote] 部分属实,也不算是假的,就是宣传中的“xx时代即将到来”中的这个“即将”不是一两年后,而是十几二十年后这样

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