電池是智能手機(jī)，醫(yī)療設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備里不可分割的一部分，在開(kāi)發(fā)最佳電池的競(jìng)賽當(dāng)中，特斯拉無(wú)疑是這場(chǎng)競(jìng)賽中的新領(lǐng)導(dǎo)者。

經(jīng)過(guò)近十年對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的大肆宣傳，雖然燃油車(chē)業(yè)務(wù)幾乎沒(méi)怎么下滑，但特斯拉已經(jīng)成功地吸引了人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的注意力，汽車(chē)制造商開(kāi)始跟隨特斯拉加入電動(dòng)汽車(chē)競(jìng)賽。中國(guó)，歐洲和其他國(guó)家的政策都在刺激或要求汽車(chē)制造商生產(chǎn)更多的低排放汽車(chē)，這一舉措極大的推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

在全球范圍內(nèi)，汽車(chē)制造商表示將有數(shù)十種新型或改裝車(chē)型變成電動(dòng)汽車(chē)，并承諾將投資900億美元用于設(shè)計(jì)新車(chē)型，調(diào)整制造工廠和開(kāi)發(fā)新技術(shù)。

大量資金的涌入肯定會(huì)給電池市場(chǎng)帶來(lái)巨大變化。最明顯的變化就是為已經(jīng)供過(guò)于求的電池行業(yè)增加更多產(chǎn)能，而這又引發(fā)了一系列疑問(wèn)，如什么樣的的電池技術(shù)實(shí)用的和下一代電池技術(shù)將會(huì)是什么以及什么時(shí)候準(zhǔn)備就緒。

計(jì)算機(jī)設(shè)備供應(yīng)商和消費(fèi)電子產(chǎn)品供應(yīng)商一直是鋰離子電池的主要消費(fèi)者，也是最容易受到電池技術(shù)的影響。在首次推出索尼CCD-TR1攝錄一體機(jī)的26年后，先前的電池技術(shù)仍然是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

一堆專(zhuān)利和已發(fā)表的論文只是顯示了人們對(duì)電池做了多少的研究工作。然而，技術(shù)發(fā)展比技術(shù)業(yè)務(wù)中的其他任何東西慢得多。

總部位于洛杉磯的電池技術(shù)制造公司Romeo Power首席電池科學(xué)家AK Srouji表示，電池性能，例如能量密度，平均每年增長(zhǎng)4%到6%，鋰電池存放需要一定的空間，而能量密度的提高可以進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

多年來(lái)，人們一直在研究鋰離子電池的替代品?？梢杂免c離子或鎂離子作為電荷載體制造電池，但其化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性不高，轉(zhuǎn)換到新的電荷載體可能需要十多年的時(shí)間。在鋰離子電池中，也會(huì)發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng)。例如，陰極，復(fù)合陽(yáng)極和其他組件已經(jīng)得到改進(jìn)，但是所有高性能電池都使用液體電解質(zhì)。一個(gè)預(yù)期的轉(zhuǎn)變是全固態(tài)電解質(zhì)，它可以在其發(fā)展期內(nèi)將能量密度提高多達(dá)40%，卻依仍存在許多電化學(xué)反應(yīng)和制造上的挑戰(zhàn)，而這種技術(shù)轉(zhuǎn)變可能需要長(zhǎng)達(dá)十年的時(shí)間來(lái)發(fā)展。

具有低功耗的小型電子秤固態(tài)電池主要是針對(duì)消費(fèi)者，可能在五年內(nèi)開(kāi)始在市場(chǎng)上出現(xiàn)。關(guān)鍵的支持技術(shù)實(shí)際上是低功耗無(wú)線電芯片和無(wú)線充電技術(shù)，人們一直期待電池續(xù)航時(shí)間能夠延長(zhǎng)，但電池供應(yīng)商和手機(jī)制造廠商也在拓展其他功能，預(yù)期實(shí)現(xiàn)4瓦至5瓦的功率。

鋰電池

鋰離子電池一直占據(jù)電子市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，能量密集，電荷也很穩(wěn)定。大多數(shù)分析師看到鋰電子電池依然是市場(chǎng)主流，從儲(chǔ)能方面來(lái)說(shuō)至少還會(huì)在市場(chǎng)上延續(xù)三到五年。

IHS Markit分析師Olivier Nowak表示，固態(tài)電池肯定會(huì)出現(xiàn)，但不會(huì)在未來(lái)五年內(nèi)出現(xiàn)。電子消費(fèi)者和制造者都希望電池壽命更長(zhǎng)，但現(xiàn)有的鋰離子電池對(duì)于移動(dòng)電子設(shè)備來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)糟糕的解決方案。當(dāng)然，鋰離子電池偶爾發(fā)生火災(zāi)，而電池的幾何形狀和機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)非常靈活。除了在固態(tài)電池技術(shù)出現(xiàn)意外突破外，其他方面不會(huì)發(fā)生任何重大的變化。 -

奇怪的是，在提高能量密度的速度一事上，發(fā)明鋰離子電池的物理學(xué)家John Bannister Goodenough顯得并不開(kāi)心。他表示技術(shù)會(huì)一步步發(fā)展，而不是一味地追求速度。另外，他還透露自己的“超級(jí)電池”有可能會(huì)替代鋰電池。

Goodenough于1980年在牛津大學(xué)使用鋰鈷氧化物陰極完成了基本設(shè)計(jì)，但牛津大學(xué)拒絕了他專(zhuān)利的申請(qǐng)。 Goodenough以其發(fā)明于2011年獲得了自由勛章，但沒(méi)有獲得獎(jiǎng)金。但他以94歲的高齡回歸電池研究時(shí)，他用一篇論文描述了一種固態(tài)電池，聲稱(chēng)這種電池是不可燃的，具有很長(zhǎng)的使用壽命，快速的充電速率以及10倍的能量密度提升。他所描述的這種固態(tài)電池由電解質(zhì)兩側(cè)的玻璃電解質(zhì)和純金屬鋰或鈉制成。

Goodenough的一位同事稱(chēng)其描述的固態(tài)電池容量異常，根本不會(huì)產(chǎn)生任何電壓。而Goodenough表示，這種固態(tài)電池并未違反任何熱力學(xué)定律，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，已經(jīng)證明這種固態(tài)電池可以在500次的循環(huán)測(cè)試中獲得3伏電壓。

固態(tài)電池

多年來(lái)，固態(tài)電池一直是電池行業(yè)的熱門(mén)話題。物理學(xué)家Farid El Gabaly表示，固態(tài)電池穩(wěn)定，功率高，卻非常難以實(shí)現(xiàn)，必須能夠使鋰離子穿過(guò)固體壁，而不是電解液—電解質(zhì)的界面。

El Gabaly最近公布了其三年研究的結(jié)果，研究電極接觸電解質(zhì)的過(guò)程來(lái)尋找答案。El Gabaly和他的一位同事使用X射線光電子能譜以及電化學(xué)技術(shù)研究離子如何輕松和快速地從一個(gè)陰極穿過(guò)固體界面到另一個(gè)陰極。

該研究的重點(diǎn)是小型固態(tài)電池，研究人員不得不將材料分層涂在幾層分子上，一層接一層，直到電池完成放電為止。該技術(shù)最終將用于添加傳感器，無(wú)線功能器件和其他元件，所有元件均由安裝在芯片上的永久固態(tài)元件作為供電介質(zhì)，與電池中的電源集成在一起。

El Gabaly表示，在此研究之前，沒(méi)有人能在電池接口處觀察到這些現(xiàn)象，并且在許多過(guò)程中離子移動(dòng)得更快或更慢。在其研究中，他以極高的分辨率查看電池的接口，查看需要改進(jìn)的過(guò)程。如果你了解動(dòng)力學(xué)，想在五秒鐘內(nèi)完成電池放電，可以做到這一點(diǎn)。如果你想在一分鐘內(nèi)充好電，你就要知道離子的移動(dòng)速度?？紤]到將固態(tài)電池提升到高水平的困難性，El Gabaly預(yù)計(jì)至少在未來(lái)三到五年內(nèi)其描述的固態(tài)電池不會(huì)出現(xiàn)。

前年三星Galaxy Note 7發(fā)生爆炸而迫使其召回手機(jī)。業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)，三星Galaxy Note 7發(fā)生爆炸是由兩家電池廠的規(guī)格錯(cuò)誤造成的。當(dāng)電池充電和放電時(shí)，電極會(huì)膨脹，但缺少曲率半徑會(huì)使正極和負(fù)極上的箔接觸，從而導(dǎo)致過(guò)熱。

波音公司新推出的787型飛機(jī)在2013年因幾家航空公司報(bào)告鋰離子電池會(huì)產(chǎn)生煙霧和火災(zāi)后被迫退出。去年11月，美國(guó)消費(fèi)者產(chǎn)品安全委員會(huì)表示，自2015年以來(lái)，已發(fā)現(xiàn)超過(guò)250起與過(guò)熱有關(guān)的爆炸事故，涉及約14,000臺(tái)設(shè)備。

這些事件的發(fā)生告訴我們電池技術(shù)的發(fā)展不管有多慢，要確保安全才是最重要的，那些電池當(dāng)中存在的問(wèn)題有可能會(huì)使電子設(shè)備存在安全隱患，最可怕的是我們?cè)谑褂眠^(guò)程中認(rèn)為是理所當(dāng)然，并不放在心上。

AK Srouji表示，在構(gòu)建高性能全功能和集成電池系統(tǒng)，大規(guī)模使用大量單個(gè)的具有穩(wěn)定性的電池來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的時(shí)候，最重要的還是安全性。

電池技術(shù)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，不僅僅是研究電池組件中的化學(xué)成分，還涉及電池，模塊和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以確保當(dāng)一個(gè)電池進(jìn)入熱失控，除了實(shí)現(xiàn)所需的循環(huán)使用壽命之外，熱量不會(huì)傳播到相鄰電池。無(wú)論是在快速充電的突發(fā)模式還是在穩(wěn)定的充電模式上，還要研究電子設(shè)備本身的設(shè)計(jì)以及如何利用電池中的能量。

電池越來(lái)越成為電子設(shè)備能源生態(tài)系統(tǒng)的一部分，這促使初創(chuàng)公司，大學(xué)和特斯拉等知名巨頭對(duì)電池技術(shù)的新一輪投資和研究。隨著電池技術(shù)轉(zhuǎn)移到更多的細(xì)節(jié)上來(lái)，使電池兼容各種設(shè)備還需要更多的研究，需要對(duì)電池內(nèi)部和外部的多個(gè)級(jí)別上進(jìn)行更改。