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?”,而是“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“伴侣级”的生活必备品,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了当代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。人们纷纷抱怨媒体标题误人,并没有切实解决目前的现状与困难。

诚然,锂离子电池技术在不断进步。但从某种层面讲,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,可能是个答案。

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反应,将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

这就如同烧木头或烧煤炭,作为人类获取能源最普遍的方式,让原料与氧气直接反应,所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每千克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(每千克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,事情注定不会如此简单。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反应太过复杂,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究其实是“玄学”。

2016年,来自美国和欧洲的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)电池中的反应过程所知甚少。”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中已经栽了太多跟头。

有个业内的八卦,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,发生反应的其实是集流体和电池壳,而不是预想的金属锂。最后闹得尴尬收场。

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”就戛然而止了,很难在网上搜到其只言片语。如果不是IBM有意雪藏,那就只能说明,这个计划已然搁浅。也有传言说IBM并没放弃,而是转向了其他方案。但这些江湖传闻,我们也只能姑且听之,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,它们不仅易燃易爆,而且在充放电时会不断侵蚀电极,基本上几次充放电后,一块锂空气电池就算报废了。

2012年,来自牛津大学的化学家彼得·布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反应。于是,他们成功地让锂空气电池稳定循环了100次[2]

然而,随着研究深入,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本身,而是源自一种锂空气反应过程的中间产物——过氧化锂(Li2O2)。过氧化锂是一种强氧化剂,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严重,他们的电池循环了几十次后,整个电解液都变了颜色。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,曾制造出人类历史上第一个可控核反应堆。冷战之后,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,极大的降低了副反应的发生,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媒体与大众的兴趣,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,研究电池的业内人士却选择沉默。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,只是减缓了这种强氧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反应之中。

针对这一问题,人们要返璞归真到热力学的本质中去寻找答案。

我们都知道,温度会对一个化学反应的进行产生巨大影响。如果将环境温度提高到150℃以上,那么,锂和氧气的反应就会优先生成氧化锂(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,锂与氧气反应的自由能,数值越低反应越容易发生。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。

既然如此,我们就再换一种电解液吧。在近期《科学》杂志的一篇报道上,来自加拿大的科学家们,就使用熔盐作为电解液解决了这个问题,

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,整个锂空气电池平稳运行了起来,而且中间产物全部是温和的Li2O。更令人欣喜的是,研究者发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度。很难想象,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车通勤。对于这一问题,研究者暂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用带来了障碍。

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.

热门评论

  • 2018-10-10 08:19 拼音佳佳2

    发生反应的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^_^

    [6] 评论
  • 2018-10-08 17:55 天降龙虾

    150度的话,可以做成卡车?汽车应该也有戏。。但手机是别想了。。。

    [6] 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?←_←

    [4] 评论

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全部评论(21)
  • 1楼
    2018-10-08 17:55 天降龙虾

    150度的话,可以做成卡车?汽车应该也有戏。。但手机是别想了。。。

    [6] 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度。能量密度增加几乎是一定伴随着易燃易爆啊。

    [0] 评论
  • 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反应,将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·······

    [0] 评论
  • 5楼
    2018-10-10 08:19 拼音佳佳2

    发生反应的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^_^

    [6] 评论
  • 6楼
    2018-10-10 15:41 汉尼拔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?←_←

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

    150摄氏度对于电动汽车来说安全性倒不是问题,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度本身就需要消耗大量能量,抵消了储能能力。如何让电池频繁启动停止也是问题。

    [1] 评论
  • 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?不然他都把锂电池的极限给突破了?

    [0] 评论
  • 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,通过氢和氧反应产生电能,最终产物只有水,而且是不可逆的,要不断的消耗氢。


    [0] 评论
  • 12楼
    2018-10-13 17:19 SXZ_

    s8感觉良好

    [0] 评论
  • 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媒体玩坏了

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

    燃料电池这块,氢只适用于宇航,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,通过氢和氧反应产生电能,最终产物只有水,而且是不可逆的,要不断的消耗氢。

    谢谢解惑

    [0] 评论
  • 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,电池里面平时不放锂,随用随加,跟烧煤一样→_→

    [0] 评论
  • 18楼
    2018-10-16 14:48 好梦甜甜
    引用@企鹅骑士队长 的话:150摄氏度对于电动汽车来说安全性倒不是问题,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度本身就需要消耗大量能量,抵消了储能能力。如何让电池频繁启动停止也是问题。

    真的觉得对于汽车来说,150度一点都不是问题啊

    [0] 评论
  • 19楼
    2018-10-17 13:46 百步星

    看的出来

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  • 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用,386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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