慢充保壽命，快充省時間的鋰電池

從口袋里的手機，到桌面上的電腦，再到路上跑的電動汽車，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到負電極，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的速度加快。為了實現(xiàn)這個效果，不僅需要適當改變充電電壓，還需要對鋰離子移動的路徑，也就是電解質(zhì)進行改良。

電池的一個重要的指標就是「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。

另外一個常見的指標是電池容量，這個數(shù)值一般會標注在電池或者電子設(shè)備上。當一個電池的放電電量達到了電池容量的100%，就是完成了一個充電周期。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，但是這些車隊在充放電的往返過程中并不會規(guī)規(guī)矩矩、整整齊齊。

▲鋰枝晶

它們會在出門的時候把車庫撞壞（引起結(jié)構(gòu)變化），也會在返回車庫的時候幾輛車一起把車庫的門堵住，引起塞車，當這條車龍到達一定的長度，就會讓電池發(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，只是因為技術(shù)進步得到了緩解。

▲針刺測試示意圖

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

通過「針刺測試」的技術(shù)太難了，國際電工委員會（IEC）的電池檢測標準中就沒有包含該項測試。今年3月初，工信部官網(wǎng)發(fā)布《電動汽車用動力蓄電池安全要求》等三項汽車行業(yè)強制性國家標準中，「針刺測試」也被取消了。

以電動車為例，電池面臨的三個問題

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)計顯示，鋰離子電池的性能和價格演進速度正在放慢，這個趨勢很有可能會在未來影響電動汽車的大規(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方面。

換個角度，電動車里電池面臨的問題主要有三個，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摻雜其他物質(zhì)，再加上正負極材料的影響，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，在化學電池這個領(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、無人機、電動車在內(nèi)使用鋰電池為主的智能產(chǎn)品，在相當長的一段時間內(nèi)，電池的單次續(xù)航依然會明顯受到限制，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。

電池依然是一個易燃易爆的脆弱事物，坐飛機時電池不能托運只能隨身攜帶就是其中一個表現(xiàn)。

汽油車起火時，人們往往還有逃生時間，但若換成是電動車電池起火，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)部的化學物質(zhì)容易分解，導致起火。電池發(fā)生碰撞也有可能短路起火。

第三個是鋰離子電池的成本問題。

為了讓鋰離子電池在使用時更加穩(wěn)定安全，電池內(nèi)部會添加各種化學物質(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。

▲礦石開采難度與價格

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

電池研發(fā)是一件相當耗費時間的事情。比如研發(fā)人員電池的某個部分進行改進，那么就需要進行大量的充放電實驗來驗證效果。

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

這個算法通過學習上億次電池充放電的數(shù)據(jù)，因此能夠在收集單個電池五次充放電周期的數(shù)據(jù)后，預測電池的剩余壽命，正確率為95%。這項人工智能技術(shù)預計能幫廠商在研發(fā)電池時提速。

▲要這樣換電池的手機慢慢變少了

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、可攜帶的特點，進而影響了我們?nèi)粘Ｊ褂孟M電子產(chǎn)品的方式。隨著電池技術(shù)的提升，手機上的電池已經(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，當時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充一次電可以正常使用一周的場景。我想這樣的手機會被賣瘋吧。