電池技能達(dá)到極限了嗎?

2015-10-29 08:01:52   來源：新銀    分享到：

曩昔20年間發(fā)作的科技騰躍真實(shí)令人張口結(jié)舌。核算機(jī)現(xiàn)已從功利主義的盒子改變?yōu)橛山饘俸筒Ａ?gòu)成的線條明亮的矩形，且小到可以放在口袋里。如今的設(shè)備要強(qiáng)壯得多，一款新式智能手表的核算才能比阿波羅登月飛船的都要強(qiáng)壯。但是，電池是別的一回事。

即使花費(fèi)者電子產(chǎn)品制造商，從蘋果到三星，為了讓設(shè)備具有更長的電池壽數(shù)出資了上百萬美元的科研資金，科技本身卻無法在將來幾年就發(fā)作天翻地覆的改變。但這并不會(huì)減緩高度依靠電池的小配件數(shù)量不斷上升的趨勢(shì)。

為何電池技能停滯不前一向是研討人員討論的論題之一，許多人表明咱們現(xiàn)已抵達(dá)科學(xué)的極限。無論真正的因素是什么，花費(fèi)者將需求竭盡全力高效利用需求電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備。

兩條進(jìn)化路線

為了了解詳細(xì)的狀況，咱們有必要思考三個(gè)疑問：電池制造商的曩昔、如今以及將來面對(duì)的應(yīng)戰(zhàn)。美國加州高檔電池草創(chuàng)公司恩維亞公司的聯(lián)合創(chuàng)始人和事務(wù)開發(fā)主管邁克爾·辛庫拉(Michael Sinkula)發(fā)現(xiàn)1995年電池里存儲(chǔ)的能量一向未發(fā)作特別明顯的改變，直到十多年后2007年電池存儲(chǔ)的能量才翻了一倍。自那時(shí)起，電池能量的添加從未超越30%。恩維亞信任直到2021年大多數(shù)電池存儲(chǔ)的能量也許都不會(huì)翻倍。

但是，一臺(tái)規(guī)范的手提電腦可以運(yùn)轉(zhuǎn)長達(dá)10小時(shí)，這是為何呢？通常來說科技前進(jìn)源于兩個(gè)單獨(dú)的推動(dòng)力：不斷地減小每一個(gè)零部件的巨細(xì)和不斷改進(jìn)辦理一切部件的軟件。一臺(tái)電腦的大腦是它的微處理器，芯片可認(rèn)為制作圖片，或許輔佐Facebook更新你老友的生日狀況進(jìn)行必要的雜亂核算。在曩昔的幾十年，工業(yè)界一向在盡力減小處理器的體積。跟著它們變得越來越小，它們所耗費(fèi)的能量越來越少，因而電池壽數(shù)越來越長。

但電池另當(dāng)別論。本質(zhì)上來說，它們是金屬和化學(xué)物質(zhì)的集合。連通電池意味著會(huì)有電流通過。而化學(xué)進(jìn)程面對(duì)的一個(gè)疑問就是做的越小并不意味著變得越好。你可以想象它為一瓶飲料：杯子里裝的啤酒越少，你可以喝到的啤酒也就越少。

在此之前，首要的電池開展都源于運(yùn)用了新資料。當(dāng)資料從鎳轉(zhuǎn)化為金屬鋰后，花費(fèi)性電子產(chǎn)品的電池壽數(shù)極大的延伸了。磷酸鋰鐵之父、現(xiàn)代電池開展的一名首要科學(xué)家約翰·古德伊夫(John Goodenough) 教授表明，如今的研討首要重視于改進(jìn)鋰電池的壽數(shù)。“元素周期表十分有限，” 古德伊夫說道，因而前進(jìn)和提高變得越來越艱難。

與1979年古德伊夫宣告取得了突破性發(fā)展使得現(xiàn)代電池變?yōu)橐苍S的期間比較，如今研討電池疑問的科學(xué)家數(shù)量明顯要更多，但是，可以試驗(yàn)和研討的新資料卻現(xiàn)已缺乏。

智能手機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)用一星期——而非只保持一天——所請(qǐng)求的是完全改造的科技，而這么的技能如今沒有呈現(xiàn)。古德伊夫認(rèn)為“延伸電池壽數(shù)的下一個(gè)戰(zhàn)略如今仍是未知數(shù)。”

通往鋰電池的路途

現(xiàn)代電池追溯到18世紀(jì)，其時(shí)科學(xué)家們意外發(fā)現(xiàn)了一種處理靜電的辦法——將金屬棒刺進(jìn)內(nèi)部裝滿鹽水、兩端涂有箔層的瓶子。用一只手觸摸瓶子外部，而金屬棒觸摸瓶子另一端，你就能體會(huì)觸電的感覺了。

在《電池：便攜式電源怎么引發(fā)了一場(chǎng)技能革命》一書中，亨利·施萊辛格（Henry Schlesinger）描寫了科學(xué)家們?cè)趺囱杏戇@種名為萊頓瓶的設(shè)備。其間十分聞名的發(fā)明家是詩人珀西·比希·雪萊（ Percy Bysshe Shelley）。年輕時(shí)的雪萊在妹妹的協(xié)助下進(jìn)行了試驗(yàn)。他還得到了老婆瑪麗·雪萊的啟示，后者在自個(gè)創(chuàng)造的小說《弗蘭肯斯坦》里將電作為首要的情節(jié)規(guī)劃。

就在小說《弗蘭肯斯坦》出版后不久，安納塔西歐·伏特（Alessandro Volta）發(fā)明晰第一個(gè)被廣泛運(yùn)用的電池伏打電堆，就是在銅板和鋅板中心夾上用鹽水浸過的卡紙或布片，一層一層堆起來的蓄電池。

當(dāng)今的電池并未發(fā)作無窮的改變。切開電池內(nèi)部，你可以看見由金屬，例如鋰制成的一種資料，和另一種資料（通常是碳）。兩種資料之間是某種類似于伏特200年前運(yùn)用的布片的物質(zhì)——由液體或許膠體包裹的塑料，意圖是防止金屬發(fā)作相互作用，一起可以讓原子自由移動(dòng)。

當(dāng)電池一端的金屬絲與另一端的相觸摸，就發(fā)作了回路，電子會(huì)移動(dòng)，從而發(fā)作電流，致使燈泡發(fā)光、立體聲音響發(fā)聲或許鎖上轎車車門。對(duì)如今的電子設(shè)備而言，最盛行的可充電電池鋰離子電池現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用了20多年。

商場(chǎng)快速增長

電池是科技的命脈。 依據(jù)歐洲聞名研討機(jī)構(gòu)法國Avicenne Energy的估計(jì)， 1990年，跟著鋰離子電池涌入商場(chǎng)，全世界對(duì)電池的需求高達(dá)200000萬兆瓦時(shí)。這相當(dāng)于444億個(gè)勁量極限AA鋰電池，足以盤繞地球57次。截止20年后，也就是2013年，這一需求現(xiàn)已翻倍。

商場(chǎng)研討公司Lux Research猜測(cè)截止2020年，僅用于驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的電池花費(fèi)將高達(dá)266億美元，比2014年大概增長了30%。大多數(shù)需求來自智能手機(jī)和平板電腦，估計(jì)兩者在將來6年將添加45%。用于交通，例如轎車的電池花費(fèi)將翻倍，高達(dá)209億美元。

思考到如此巨額的花費(fèi)，研討人員正在盡力改進(jìn)電池壽數(shù)。即使如此，可以物質(zhì)化的突破性發(fā)展寥寥無幾。此外，幾乎一切的首要研討首要都重視于在轎車和電網(wǎng)方面的運(yùn)用。

科技巨子，例如IBM，在加州圣何塞的阿爾馬登研討中心具有一支專門研制電池技能的科學(xué)家小組。2009年，IBM出資了50萬美金請(qǐng)求幾名研討人員開發(fā)Battery 500項(xiàng)目：旨在打造一塊可以支撐轎車跑500英里的電池，這意味著一次充電轎車就可以從舊金山行駛到洛杉磯，中途還能繞到沙灘上休息一會(huì)。

這一項(xiàng)意圖關(guān)鍵是所謂的鋰空氣電池(The lithium-air battery)，這種電池并不是依靠碳和其它金屬，而是以鋰離子為主，IBM和他的合作伙伴信任他們可以創(chuàng)造一種充溢空氣的容器，后者可以與鋰發(fā)作相互作用從而發(fā)作電流。假如他們是準(zhǔn)確的，那么這種空氣電池的分量或也許減輕一半。

但其間存在一個(gè)疑問：為了實(shí)現(xiàn)能量的可繼續(xù)和再充電進(jìn)程，你有必要取得純潔的空氣，但咱們?nèi)缃窈粑目諝獬湟缌宋廴疚锖退?ldquo;你需求機(jī)械裝置凈化空氣。” IBM電池項(xiàng)目負(fù)責(zé)人溫弗里德·維爾克(Winfried Wilcke)說道。這意味著這將添加電池的巨細(xì)、分量和雜亂性。

其它的科學(xué)家，包含來自美國麻省理工學(xué)院和德克薩斯州大學(xué)的研討人員，都在思考運(yùn)用其它資料，例如硅、硫和鈉。但是許多有關(guān)的研討和開發(fā)都是對(duì)于轎車規(guī)劃。將這種技能運(yùn)用于花費(fèi)性電子產(chǎn)品也許還需求再多等幾年。

有些消沉的科學(xué)家描寫了一幅較為凄慘的遠(yuǎn)景，他們認(rèn)為咱們現(xiàn)已達(dá)到了電池才能的極限。而其別人，例如美國加州電池草創(chuàng)公司Imergy Power Systems首席執(zhí)行官比爾·沃特金斯(Bill Watkins)，則對(duì)電池的遠(yuǎn)景持樂觀態(tài)度。“歷來都不要輕視一群具有滿足科研資金的博士們的才能。” 沃特金斯這么說道。

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