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电池技术|手机电池可能会更耐用了 科学家提出新方案增大电池容量



电池技术|手机电池可能会更耐用了 科学家提出新方案增大电池容量
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苹果秋季发布会即将举行 ， 在已爆料的各项信息中 ， 电池容量最让人关注 。 iPhone12系列的电池容量全线缩水 ， 引来吐槽不断 ， 用户对新机续航的担忧不已 。 其实 ， 不只是苹果 ， 当前许多手机厂商都面临类似的问题 。
由于电池容量有限 ， 要增强续航 ， 就必须牺牲轻薄的握持感 。 一些厂商另辟蹊径 ， 研发快充技术 ， 用充电速度掩盖容量不足的尴尬 ， 已经有厂商实现了120瓦快充量产 。 这一方法虽然可行 ， 但手机的世纪续航时间并没有增加 。
目前 ， 市场上使用的电池多为锂离子电池 ， 其正/负极材料为锂金属或锂合金 ， 使用非水电解质溶液 。
需要先说明的是 ， 锂离子电池不同于锂电池 ， 后者的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯 。 锂电池无须充电 ， 直接可用 ， 但是循环效能差 ， 充电容易造成内部短路 ， 安全隐患较大 。 早期电子产品中使用的扣式电池就是锂电池 。
美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯(Gilbert Newton Lewis)最早提出了相关概念并加以研究 。
上个世纪70年代 ， 被誉为“锂充电电池之父”斯坦利·惠廷厄姆(M.S.Whittingham)采用硫化钛作为正极材料 ， 金属锂作为负极材料 ， 制成首个锂电池 。 1982年美国伊利诺伊理工大学的阿加瓦尔(R.R.Agarwal)和塞尔曼(J.R.Selman)发现锂离子具有嵌入石墨的特性 。 这一发现意义重大 ， 石墨一度成为电池中的重要组成部分 。
真正将锂离子电池推出商用市场的是索尼 ， 该公司于1991年发布了首个商用锂离子电池 。 随后 ， 锂离子电池革新了消费电子产品的面貌 。
锂离子电池根据外形又可分成圆柱形、方形、纽扣形和薄膜锂离子电池 。 移动设备中所用的电池就是方形锂离子电池 。
锂离子电池结构一般包括正极、负极、隔膜和有机电解质 ， 有的类型的锂离子电池还有金属外壳 。
正极：活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂 ， 镍钴锰酸锂材料 ， 正极使用的材料不同分为不同种类 。 导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔 。
负极：活性物质为石墨 ， 或近似石墨结构的碳 ， 如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等 。 导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔 。
隔膜：一种经特殊成型的高分子薄膜 ， 薄膜有微孔结构 ， 可以让锂离子自由通过 ， 而电子不能通过 。
有机电解液：是电池中离子传输的载体 ， 一般由锂盐和有机溶剂组成 。 电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用 ， 是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证 。
锂离子电池的工作原理也比较简单 。 在充电时 ， 生成的锂离子从正极进入电解液 ， 穿过隔膜上的小孔 ， 流动到负极 ， 与负极的电子结合在一起 。 放电时 ， 电子从负极通过外部电路进入到达正极 ， 同时 ， 锂离子通过电解液 ， 再次穿越隔膜进入正极 。
与镍镉、镍氢等其他材料的电池相比 ， 锂离子电池的单位密度容量已经算大了 。 但是 ， 由于使用设备的耗电量越来越大 ， 人们逐渐发现电池不够用了 。
对更好电池的追求意味着对替代材料的探索 ， 科学家们认为硅很有前途 。 用这种材料代替正极中的石墨成份 ， 可以将电池的存储容量提高10倍 。
但是 ， 由于硅本身的特点 ， 其耐用性不及石墨 ， 在电池充电和放电时 ， 硅会膨胀、收缩并分裂成小块 ， 最终导致正极的退化和电池失效 。
为了解决这一问题 ， 科学家提出了一些措施 ， 比如将硅制成海绵状的纳米纤维或纳米球 。 这种孔洞设计可以缓解硅在膨胀、收缩时的压力 。
近日 ， 美国克莱姆森大学(Clemson University)的研究小组提出了新的解决方案 。 研究结果已发表在《应用材料与界面》(Applied Materials and Interfaces)期刊上 。
研究小组希望借助碳纳米管薄片来提高硅的可靠性 。 碳纳米管薄片又称为布巴克纸(Buck paper) ， 拥有质量轻、硬度高等特性 。 与同体积的钢体相比 ， 其质量仅为前者的十分之一;将巴克纸复合压紧 ， 其硬度又比同等的钢铁硬500倍 。
巴克纸还具有导电性 ， 散热性也不错 ， 莱斯大学的科学家韦德·亚当斯(Wade Adams)评价这种材料的“这些特性就象是耶稣的圣杯一样重要 。 ”这种材料已被用于飞机新一代隔热罩 。
这一新方案的结构类似三明治 ， 最上层和最下层均是碳纳米管薄片 ， 中间则为硅纳米离子 。
该论文的第一作者赛伦德拉·切鲁瓦(Shailendra Chiluwal)表示 ， “独立的碳纳米管薄片使硅纳米粒子保持相互电连接 。 ”“这些纳米管形成了一种准三维结构 ， 即使在500次循环后也能将硅纳米粒子固定在一起 ， 并降低了纳米粒子断裂时产生的电阻 。 ”
通俗来说 ， 碳纳米管薄片的导电性将硅纳米粒子连接起来 ， 即使经过多次充放电循环 ， 这些硅纳米离子不会因膨胀和收缩而断开连接 。
同时 ， 使用碳纳米管薄片的妙处在于 ， 由于硅纳米粒子被上下两层拨片夹住 ， 就算频繁的充放电循环使得硅纳米离子断开连接 ， 这些断裂的离子还是被紧紧锁在其中 ， 并能继续发挥作用 。
研究团队表示 ， 这一方案将使得电池具有更高的单位容量 。 此外 ， 纳米管还能发挥缓冲的作用 ， 使电池能够以当前迭代速度的四倍充电 ， 有效提高充电速率 。 这项新方案如果落地 ， 那么将在许多领域发挥作用 。
值得注意的是 ， 这项研究的资助人是美国宇航局 ， 因此 ， 我们猜测该技术可能最先用于航天领域 。
【电池技术|手机电池可能会更耐用了 科学家提出新方案增大电池容量】编译/前瞻经济学人APP资讯组


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