為什么鋰電池技術都獲得諾貝爾獎了,還解決不了手機一天一充的現狀

以下是來自知乎作者@大漠孤煙的回答

原文鏈接:https://www.zhihu.com/question/349870415/answer/854797541

這個問題,要分為兩個層面來看。

第一,鋰離子電池的研發獲得諾貝爾獎,站在應用角度來看,是不是實至名歸?

第二,手機一天一充的現狀,是不是電池能量密度不夠造成的,又是不是提高電池能量密度所能解決的?

首先回答第一個問題,鋰離子電池獲獎,絕對是實至名歸。在這里冒昧貼一個自己的回答,給大家分享一下,如果沒有鋰離子電池,世界會是什么樣呢?(可不看,不影響后續閱讀)

如果沒有發明鋰離子電池,電子產品將會是什么樣的?

事實上,鋰離子電池的出現,為今天一切便攜式電子產品的智能化提供了基礎,實現了從無到有的飛躍。如果沒有鋰離子電池,今天手機的充電頻率將是一天至少兩三次,而不是一天一次的水平。這個問題,我相信,不會有太大的爭議。只不過,從無到有是科學問題,而從有到好,則是技術問題,是社會問題,否則世界上還是有瘧疾患者,屠呦呦女士怎么能得諾貝爾獎呢?這是一樣的道理。

接下來重點說說是第二個問題。依我看來,就目前來說,最制約手機續航時間的,從來就不是電池能量密度,而是用戶對于手機性能不斷提高的需求,以及由此帶來的功耗增加。

今天,大家對于電池一天一充的問題感到十分不適,然而我想說,出現這種情況,是手機的功能定位發生劇變,以及市場選擇,這兩者的共同作用結果。

手機鋰電池沒電

在以前,手機充滿一次電,管個幾天沒有太大的問題。為什么到今天,電池反而顯得越發不經用了?是因為鋰離子電池技術上沒有進步嗎?可以說,是,又不是。

要說電池能量密度有沒有進步,一定是有的,而且一直在進步。我們知道,電池能量密度,等于單位體積或者質量內能夠存儲的能量。對于手機而言,我們更關心體積而不是重量,所以在這里我們只來討論體積能量密度。

鋰離子的結構,和鎳氫電池是類似的,它們都普遍采取了卷繞或者疊片的方式制造電池。如果只看方形疊片電池,從Z軸方向看,電池的構造一般是:

外殼 - 鋁箔 - (正極涂層 - 電解質 - 負極涂層 - 銅箔 - 負極涂層 - 電解質 - 正極涂層 - 鋁箔)n - 正極涂層 - 電解質 - 負極涂層 - 銅箔 - 外殼

其中括號內是重復單元,各個部分緊密相連。其中,只有正極涂層和負極涂層中的活性物質存儲了電能,集流體和電解質只是為了提供離子和電子的定向運動通道而存在的。而正極涂層和負極涂層中,除了活性物質,又包括導電炭黑和粘結劑,這些東西保證了涂層能夠具有一定強度,并且在立體方向上實現了更均勻的電子傳輸,不加是不行的。

實際上,電池企業一直都在致力于提高電池的能量密度。經過二十多年的努力,手機電池的電解質厚度已經從第一代聚乙烯碳酸酯復合物的約 25um ,下降到今天凝膠狀聚合物的不到 10um (不確定,受限于本人閱歷,其實沒見過真正的商用聚合物電解質),集流體從早期的 20um 左右下降到今天的 8um 銅箔,而正負極的厚度,受限于極化不能再提高,目前正負極都是單側 40um 左右,面密度有20和9mg /cm2吧。僅考慮上面這些,每個重復單元的活性物質總量沒變,一個重復單元厚度就是從 260um 下降到了 200um ,一定厚度的電池里的活性物質質量,還有相對應的容量,自然就提高了。再考慮導電炭黑和粘結劑的總用量已經從最初的相對于活性物質約 10% 下降到如今的不到 5% ,哪怕不改變材料體系,電池的能量密度也提高了接近40%。甚至,連最難提高的材料自身比容量和電池電壓,隨著硅碳負極,三元正極的應用,以及材料的表面改性,也得到了一定提高。目前水平下,電池的體積能量密度相比于20世紀末的鈷酸鋰-聚烯烴/碳酸酯-石墨體系,提高了50%是一定有的。

而提高50%的能量密度,夠用嗎?我在這里做一個對比。2009年,我用的是諾基亞6085翻蓋手機,它的屏幕是1.8英寸,分辨率也不高,大概128乘160的樣子。2019年,我用的是蘋果7,這個大家都知道,4.7英寸高清屏。屏幕大了5倍多,電池的容量卻只大了一倍。僅看這一項,我的蘋果7手機,屏幕使用時間只有我諾基亞的1/3,這一點都不奇怪。更何況那個年代,諾基亞6085作為一款非觸屏手機,它的主要功能,也注定還是發短信,打電話,偶爾聽一下歌。

而蘋果的經典作品4代,在2010年已經上市。我的諾基亞續航比蘋果4好多了,更不用提今天的蘋果7??墒羌幢闶悄菚r候的我,也馬上換掉了我續航強悍的諾基亞。到今天,如果說真想追求續航,也不是不行,只是性能和使用體驗必須要大打折扣了。隨著手機的功能,從單純打電話發短信,發展出聽歌拍照看電影,甚至玩兒大型游戲,人們對于手機性能提高的要求,就遠遠超過了對續航能力的要求。如此一來,手機里給電池的空間,不好意思,也只能一砍再砍了。

這就是一開始我說的,不是電池不行,而是市場選擇了犧牲一部分續航,換取性能的提升。就算手機電池的能量密度除以手機功耗,相比于今天提升了一百倍,大家猜猜手機廠家是否會為了提高性能,要求電池也做小百倍,繼續讓大家一天充電一次呢?別說一天充一次,到今天,蘋果11的廣告里,能讓你從早玩到晚,都已經成了值得宣傳的事情。如果是滿負荷用的話,很多手機一天一充還不夠呢??刹还茉趺凑f,到今天,充電也已經比十年前,方便了太多。哪怕整天玩,能用上一個白天,晚上充充電,也就好了。

手機鋰離子電池

因此,在智能手機這個階段,鋰離子電池無論怎么發展,能夠發展到什么地步,都不能僅通過提高電池性能來提高智能手機的續航能力。這是因為市場告訴我們,截至目前,續航能力不是用戶最關心的,續航不是制約智能手機發展的最大瓶頸。續航不足的問題,相比于手機性能的進一步提升,永遠都不是最重要的。那么什么時候,手機的續航時間,才能夠再次普遍得到提升呢?

如果樂觀一點看待,有一天,手機的能量供應系統出現革命性的變化,手機無需連接電網去充電。開個腦洞吧,盡管如今看不到希望,可未來會不會有一天,一方面移動設備功耗大幅下降,另一方面光電池也得到飛速發展直至普及。這樣一來手機只要曬一曬太陽,或者甚至開著燈就能給自己充電,充電器一般情況下能徹底淘汰。這時,續航問題,就不存在了。

又或者,芯片的計算和存儲能力,開始出現了溢出,進一步提升,也無助于改善用戶體驗。這時,才會有廠家開始能夠為了續航,去增大電池的空間占比,至少是不再縮減。隨著手機的電池容量與功耗的比值提高,續航問題自然也就得到了改善。

展望一下吧。手機芯片和存儲器我不懂,但是鋰電咱終歸懂一點。大家總還是很關心,這個鋰電的能量密度究竟還能提升多少呢?

就目前我的知識面來看,硅基負極加富鋰正極應當是短期內最有可能取代碳-氧化物正極的高比能材料。目前硅已經以硅碳的形式部分地應用,但純硅受制于巨大的體積變化,還沒有解決充放電效率,少電解液條件下的循環壽命等問題,其倍率性能也不如石墨。富鋰正極也由于可逆性較差,循環性能還達不到商品化的條件。如果這兩種材料最終被攻克能用,并且都幾乎發揮出理論比容量,炭黑電解質等輔料的用量也不大幅增加,這樣一來電池平均電壓雖略微下降,但正負極比容量相對于目前的可分別再提高大約一倍和十倍,如此一來電池的能量密度再提高一倍多是沒有問題的。再往后可能是鋰硫,但金屬鋰負極和硫正極現在各自都還存在大量基礎問題沒有解決,我們現在還無法大致想象出商品化鋰硫電池的大致形態,是不是用純的鋰和硫,還是用一個什么東西把金屬鋰和硫兜住才能用,就像硅目前必須摻在碳里面才能用一樣。另外鋰硫電池的電解質要用什么,是傳統的液態+隔膜,凝膠,還是純固態電解質,目前來說都是個未知數。從長遠來看,如果是鋰電發展的終極目標,鋰金屬-固體電解質-空氣電池,這樣一來正極不占用空間,那么能量密度將會達到如今的數倍。這個數倍具體是多少倍,取決于電解質和氧氣(也未必得把氮氣排除在外)的選擇性活化催化劑需要用多少。

當然了,現在我們實際上還沒有攻克我說的第一個硅-富鋰正極體系,這兩種材料各自單獨應用都還有很長的路要走?,F在來看,還沒有任何工作可以按照商品化石墨/鈷酸鋰的單位面積載量,把電極面容量做到接近3mAh/cm2的水平。而且,由于反應機理復雜,副反應也較多,即使在扣式電池中,這兩種材料也無法真正發揮出它的理論比容量,進行穩定循環。因此,即便手機電池能量密度想提高一倍,都是任重而道遠的。

 

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