限制我们对智能产品想象力的，不是屏幕、相机，而是电池
报道将来，办事新糊口引领者。
无论是最新条目的华为 P30，仍是我的诺基亚 3310，它们在完全没电后，城市酿成同样的一块砖头。
天天给手机充电已经是一种糊口习惯，这个惯性动作的背后，其实是电池手艺并未跟上智能硬件产物成长速度的一种表示。
▲ 电动车内电池组的单节电池
事实上，锂离子电池被大规模贸易应用的汗青并不长。现在我们距离锂离子电池在硬件产物上的第一次爆炸事务，才仅仅曩昔了 30 年，而造当作那次悲剧的「锂枝晶」此刻依然是电池研发人员的恶梦。
慢充保寿命，快充省时候的锂电池
从口袋里的手机，到桌面上的电脑，再到路上跑的电动汽车，锂离子电池都是是此刻绝大部门智能电子设备的动力之源。
▲ 锂离子电池是怎么工作的
锂离子电池是电子设备中最常用的电池，这要得益于「锂」的金属特征，密度低到 0.534g / 立方米，原子质量小到 6.9u，是以它是一种质量很轻而且极易与外界发生反映的金属。
锂电池的工作道理是这样的：
充电的过程就是锂离子从正电极中移动到负电极，放电的过程就是锂离子从头跑回到正电极。锂离子可以看做载着电荷的小车，在化学反映的过程中形当作电流供电。
电池快充就是让锂离子移动的速度加速。为了实现这个结果，不仅需要恰当改变充电电压，还需要对锂离子移动的路径，也就是电解质进行改良。
电池的一个主要的指标就是「能量密度」，可以理解为：
每公斤的物质最多可以或许携带的能量。
▲ 一个充电周期，图片来自苹果官网锂离子电池介绍页
别的一个常见的指标是电池容量，这个数值一般会标注在电池或者电子设备上。当一个电池的放电电量达到了电池容量的 100%，就是完当作了一个充电周期。颠末必然数目的充放电周期后，任何类型的电池容量城市变少。
电池寿命缩短的过程与「锂枝晶」有关。我们把锂离子看做小车，可是这些车队在充放电的往返过程中并不会规端方矩、整整洁齐。
▲ 锂枝晶
它们会在出门的时辰把车库撞坏（引起布局转变），也会在返回车库的时辰几辆车一路把车库的门堵住，引起塞车，当这条车龙达到必然的长度，就会让电池发生短路和爆炸。这条车龙就是「锂枝晶」，现在的车龙依然存在，只是因为手艺前进获得了缓解。
锂电池商用的汗青，索尼是一个里程碑
在消费电子产物起头起飞的年月，厂商急需一种简便、大容量，又能轮回充放的电池。这种火急让电池制造商和产物厂商轻忽了「锂枝晶」的风险。
这就要说到锂电池制造商先烈——加拿大公司 Moli Energy。这家公司在 1985 年推出了一条目 AA 型锂电池，能量密度跨越 100Wh/kg，当作为那时炙手可热的当红炸子鸡，并在 1989 年推出第二代锂电池产物。
这家公司出产的锂电池被率先用到日本闻名计较机设备制造商 NEC 的电脑，和日本电信德律风公司 NTT 的德律风中。悲剧的是，利用了新电池的产物在 1989 年春天发布后，随之而来的是产物呈现起火爆炸的平安变乱。
电子产物变身易燃易爆危险品，在那时的日本激发发急。最后 Moli Energy 不得不颁布发表全数召回已售产物，并补偿受害者。1989 年末，Moli Energy 在破产之际被 NEC 收购。
▲ 2017 年 NEC 把电池营业出售了， 图片来自：新浪科技
NEC 按照 Moli Energy 原有的制造体例从制造了 50 万个电芯，对每一个进行缺陷检测。接着，把这些电芯组装当作电池，安装在手机上，用了约一年半的时候进行了 5000 次充放电轮回。
NEC 在这个大型测试中发现几乎所有手机电池都呈现了故障，从电池容量急剧衰减到爆炸。面临这样惨烈的成果，NEC 只能颁布发表永远抛却将金属锂作为负极用作可充电池的手艺方案。
▲ 索尼的电池营业在 2017 年也卖失落了
索尼从上个宿世纪 80 年月起头就与日本石化巨子朝日化学合作研发可充电电池。直到 1990 年 2 月，索尼颁布发表推出它的第一块商品化锂离子电池，这是电池工业上的一个里程碑。
索尼的这条目「18650 圆柱型电池」最初是为 CCD-TR1 8 毫米录像机设计制造的，电池容量为 1000-1300 mAh。凭借这项电池手艺，索尼在消费电子产物范畴百战百胜，而且当作为全球电池市场上最受接待的供给商之一。
然而在 1995 年，索尼在日本福岛的锂离子电池工场发生大火，跨越 100 万电池被烧，而且再次在社会引起发急。
颠末调查，电池工场起火原因是电池老化和充放电尝试室的托盘材料没有阻燃性，这导请安外发生的火花在溢出后，敏捷舒展点燃了工场。而之所以尝试室托盘材料不外关，是因为工场要降低当作本。
后来索尼颠末与东京消防厅的艰难交涉，才没让锂离子电池被列为危险品。之后索尼为本身的电池工场成立了加倍严苛的平安测试及保障办法。
▲ 针刺测试示意图
此中包罗一个「针刺测试」，布满电的电池放在一个平面上，用直径 3mm 的钢针沿径标的目的将电池刺穿。测试电池不起火、不爆炸则为经由过程测试。
经由过程「针刺测试」的手艺太难了，国际电工委员会（IEC）的电池检测尺度中就没有包含该项测试。本年 3 月初，工信部官网发布《电动汽车用动力蓄电池平安要求》等三项汽车行业强制性国度尺度中，「针刺测试」也被打消了。
不外一向被电池虐的索尼，在 2017 年把电池营业也出售了。
以电动车为例，电池面对的三个问题
▲ 特斯拉超等电池工场内部
我们距离锂电池正式大规模商用才不到 30 年，今朝最风行的锂电池属于锂离子电池。有统计显示，锂离子电池的机能和价钱演进速度正在放慢，这个趋向很有可能会在将来影响电动汽车的大规模出产。
一位从事电池研发多年的手艺人员 Tiger 告诉爱范儿，现阶段电池的手艺瓶颈本家儿要在能量密度、轮回寿命和温度特征三个方面。
换个角度，电动车里电池面对的问题本家儿要有三个，别离是：
- 里程焦炙
- 平安问题
- 当作本问题。
起首，「里程焦炙」与锂离子电池的能量密度有关。锂这种金属的理论极限能量密度是 14000Wh/kg，因为锂电池一般城市掺杂其他物质，再加上正负极材料的影响，是以今朝工业出产的锂电池能量密度遍及在 150-300Wh/Kg。
因为需要考虑电池材料在利用过程中的不变性，是以冲破 300Wh/Kg 的电池制造手艺只有少数厂商可以做到，好比特斯拉就在此中。
比来 20 年来商用电池的研发根基都没有太大的冲破，在化学电池这个范畴里，若是人们找不到可以或许替代「锂」的新材料，根基上电池能量密度也没有冲破的指望。
也就是说，包罗手机、无人机、电动车在内利用锂电池为本家儿的智能产物，在半斤八两长的一段时候内，电池的单次续航依然会较着受到限制，只能经由过程增添充电次数、加速充电效率等体例来解决。
其次是平安问题。
▲ 三星 Note 7 手机昔时因电池爆炸被平易近航禁运
电池依然是一个易燃易爆的懦弱事物，坐飞机时电池不克不及托运只能随身携带就是此中一个表示。
汽油车起火时，人们往往还有逃生时候，但若换当作是电动车电池起火，根基是刹时被火海覆没，车内助员生还的可能性比汽油车低得多。
别的，高温状况下，电池内部的化学物质轻易分化，导致起火。电池发生碰撞也有可能短路起火。
第三个是锂离子电池的当作本问题。
为了让锂离子电池在利用时加倍不变平安，电池内部会添加各类化学物质，可以做到改善电池的温度特征、增添电池倍率等。这些物质包罗钴、镍和其他罕见金属。
▲ 矿石开采难度与价钱，图片来自：
这些罕见金属在地球上的储量很有限，开采的难度也比力高，跟着电动汽车电池的需求量日益增加，罕见金属原材料的价钱也水涨船高。
▲ 有网友曾拆解 Model 3 的电池
《天然》杂志曾统计，估计到 2025 年，全球每年出产 1000-2000 万辆电动车，按照每个电动车电池需要 10 公斤的钴，那么届时的电动车行业每年需要 10-20 万吨的钴。然而这个需求量已经是今朝宿世界钴产量的大部门。
锂离子电池的短板太多，电池手艺在比来二十多年来根基是在迟缓前行。《天然》杂志的展望是：
我们距离锂电子电池革命仅剩下年
电池研发半斤八两耗时，能用的新手艺都在用
电池研发是一件半斤八两花费时候的工作。好比研发人员电池的某个部门进行改良，那么就需要进行大量的充放电尝试来验证结果。
每一次充放电都是需要花费时候和资本的。为了让电池研发人员可以更好地对电池残剩充放电次数进行展望，斯坦福大学、麻省理工学院与丰田研究所配合建立了一种人工智能可以用来展望电池的机能和寿命。
这个算法经由过程进修上亿次电池充放电的数据，是以可以或许在收集单个电池五次充放电周期的数据后，展望电池的残剩寿命，准确率为 95%。这项人工智能手艺估计能帮厂商在研发电池时提速。
▲ 要这样换电池的手机慢慢变少了
锂离子电池是近代最伟大的发现之一，它改变了良多电子产物获取电能持续工作的模式，让它们具有可移动、可携带的特点，进而影响了我们日常利用消费电子产物的体例。跟着电池手艺的晋升，手机上的电池已经逐渐不消拆换，出门带上一块充电宝就酿成一件理所当然的事。
就今朝而言，锂离子电池虽有诸多不足，但它依然是消费电子产物最好甚至是独一的选择。
在曩昔，有良多电子产物都是靠碱性干电池、纽扣电池供电续命，那时的用户可能没有想象过，装着高机能锂离子电池的产物会是如何的。
现在我们所利用的电子产物，也被电池手艺的迟缓成长束厄局促，你可能没有想象过一部 iPhone 充一次电可以正常利用一周的场景。我想这样的手机遇被卖疯吧。
- 发表于 2019-04-02 22:34
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