慢充保壽命，快充省時(shí)間的鋰電池

從口袋里的手機(jī)，到桌面上的電腦，再到路上跑的電動(dòng)汽車，鋰離子電池都是現(xiàn)在絕大部分智能電子設(shè)備的動(dòng)力之源。

▲鋰離子電池是怎么工作的

鋰離子電池是電子設(shè)備中最常用的電池，這要得益于「鋰」的金屬特性，密度低到0.534g每立方厘米，原子質(zhì)量小到6.9u，因此它是一種質(zhì)量很輕并且極易與外界發(fā)生反應(yīng)的金屬。

鋰電池的工作原理是這樣的：

充電的過程就是鋰離子從正電極中移動(dòng)到負(fù)電極，放電的過程就是鋰離子重新跑回到正電極。鋰離子可以看做載著電荷的小車，在化學(xué)反應(yīng)的過程中形成電流供電。

電池快充就是讓鋰離子移動(dòng)的速度加快。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果，不僅需要適當(dāng)改變充電電壓，還需要對(duì)鋰離子移動(dòng)的路徑，也就是電解質(zhì)進(jìn)行改良。

電池的一個(gè)重要的指標(biāo)就是「能量密度」，可以理解為：

每公斤的物質(zhì)最多能夠攜帶的能量。

另外一個(gè)常見的指標(biāo)是電池容量，這個(gè)數(shù)值一般會(huì)標(biāo)注在電池或者電子設(shè)備上。當(dāng)一個(gè)電池的放電電量達(dá)到了電池容量的100%，就是完成了一個(gè)充電周期。經(jīng)過一定數(shù)量的充放電周期后，任何類型的電池容量都會(huì)變少。

電池壽命縮短的過程與「鋰枝晶」有關(guān)。我們把鋰離子看做小車，但是這些車隊(duì)在充放電的往返過程中并不會(huì)規(guī)規(guī)矩矩、整整齊齊。

▲鋰枝晶

它們會(huì)在出門的時(shí)候把車庫(kù)撞壞（引起結(jié)構(gòu)變化），也會(huì)在返回車庫(kù)的時(shí)候幾輛車一起把車庫(kù)的門堵住，引起塞車，當(dāng)這條車龍到達(dá)一定的長(zhǎng)度，就會(huì)讓電池發(fā)生短路和爆炸。這條車龍就是「鋰枝晶」，如今的車龍依然存在，只是因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步得到了緩解。

▲針刺測(cè)試示意圖

一個(gè)「針刺測(cè)試」，充滿電的電池放在一個(gè)平面上，用直徑3mm的鋼針沿徑向?qū)㈦姵卮檀y(cè)試電池不起火、不爆炸則為通過測(cè)試。

通過「針刺測(cè)試」的技術(shù)太難了，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中就沒有包含該項(xiàng)測(cè)試。今年3月初，工信部官網(wǎng)發(fā)布《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》等三項(xiàng)汽車行業(yè)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，「針刺測(cè)試」也被取消了。

以電動(dòng)車為例，電池面臨的三個(gè)問題

我們距離鋰電池正式大規(guī)模商用才不到30年，目前最流行的鋰電池屬于鋰離子電池。有統(tǒng)計(jì)顯示，鋰離子電池的性能和價(jià)格演進(jìn)速度正在放慢，這個(gè)趨勢(shì)很有可能會(huì)在未來影響電動(dòng)汽車的大規(guī)模生產(chǎn)。

現(xiàn)階段電池的技術(shù)瓶頸主要在能量密度、循環(huán)壽命和溫度特性三個(gè)方面。

換個(gè)角度，電動(dòng)車?yán)镫姵孛媾R的問題主要有三個(gè)，分別是：

里程焦慮

安全問題

成本問題。

首先，「里程焦慮」與鋰離子電池的能量密度有關(guān)。鋰這種金屬的理論極限能量密度是14000Wh/kg，由于鋰電池一般都會(huì)摻雜其他物質(zhì)，再加上正負(fù)極材料的影響，因此目前工業(yè)生產(chǎn)的鋰電池能量密度普遍在150-300Wh/Kg。

由于需要考慮電池材料在使用過程中的穩(wěn)定性，因此突破300Wh/Kg的電池制造技術(shù)只有少數(shù)廠商可以做到，比如特斯拉就在其中。

最近20年來商用電池的研發(fā)基本都沒有太大的突破，在化學(xué)電池這個(gè)領(lǐng)域里，如果人們找不到能夠替換「鋰」的新材料，基本上電池能量密度也沒有突破的指望。

也就是說，包括手機(jī)、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)車在內(nèi)使用鋰電池為主的智能產(chǎn)品，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，電池的單次續(xù)航依然會(huì)明顯受到限制，只能通過增加充電次數(shù)、加快充電效率等方式來解決。

其次是安全問題。

電池依然是一個(gè)易燃易爆的脆弱事物，坐飛機(jī)時(shí)電池不能托運(yùn)只能隨身攜帶就是其中一個(gè)表現(xiàn)。

汽油車起火時(shí)，人們往往還有逃生時(shí)間，但若換成是電動(dòng)車電池起火，基本是瞬間被火海淹沒，車內(nèi)人員生還的可能性比汽油車低得多。

另外，高溫狀態(tài)下，電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)容易分解，導(dǎo)致起火。電池發(fā)生碰撞也有可能短路起火。

第三個(gè)是鋰離子電池的成本問題。

為了讓鋰離子電池在使用時(shí)更加穩(wěn)定安全，電池內(nèi)部會(huì)添加各種化學(xué)物質(zhì)，可以做到改善電池的溫度特性、增加電池倍率等。這些物質(zhì)包括鈷、鎳和其他稀有金屬。

▲礦石開采難度與價(jià)格

這些稀有金屬在地球上的儲(chǔ)量很有限，開采的難度也比較高，隨著電動(dòng)汽車電池的需求量日益增長(zhǎng)，稀有金屬原材料的價(jià)格也水漲船高。

電池研發(fā)是一件相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間的事情。比如研發(fā)人員電池的某個(gè)部分進(jìn)行改進(jìn)，那么就需要進(jìn)行大量的充放電實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證效果。

每一次充放電都是需要耗費(fèi)時(shí)間和資源的。為了讓電池研發(fā)人員可以更好地對(duì)電池剩余充放電次數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院與豐田研究所共同創(chuàng)建了一種人工智能，可以用來預(yù)測(cè)電池的性能和壽命。

這個(gè)算法通過學(xué)習(xí)上億次電池充放電的數(shù)據(jù)，因此能夠在收集單個(gè)電池五次充放電周期的數(shù)據(jù)后，預(yù)測(cè)電池的剩余壽命，正確率為95%。這項(xiàng)人工智能技術(shù)預(yù)計(jì)能幫廠商在研發(fā)電池時(shí)提速。

▲要這樣換電池的手機(jī)慢慢變少了

鋰離子電池是近代最偉大的發(fā)明之一，它改變了很多電子產(chǎn)品獲取電能持續(xù)工作的模式，讓它們具有可移動(dòng)、可攜帶的特點(diǎn)，進(jìn)而影響了我們?nèi)粘Ｊ褂孟M(fèi)電子產(chǎn)品的方式。隨著電池技術(shù)的提升，手機(jī)上的電池已經(jīng)逐漸不用拆換，出門帶上一塊充電寶就變成一件理所當(dāng)然的事。

就目前而言，鋰離子電池雖有諸多不足，但它依然是消費(fèi)電子產(chǎn)品最好甚至是唯一的選擇。

在過去，有很多電子產(chǎn)品都是靠堿性干電池、紐扣電池供電續(xù)命，當(dāng)時(shí)的用戶可能沒有想象過，裝著高性能鋰離子電池的產(chǎn)品會(huì)是怎樣的。

如今我們所使用的電子產(chǎn)品，也被電池技術(shù)的緩慢發(fā)展束縛，你可能沒有想象過一部手機(jī)充一次電可以正常使用一周的場(chǎng)景。我想這樣的手機(jī)會(huì)被賣瘋吧。