各位网友,可曾记得小鼠君?我就是那个1年前在与非网博客频道活跃的《电子土拨鼠》(戳此处,了解过去的我)。

 

今天,我以崭新的面貌回归了!同时,将为大家定期奉上新鲜的《电子土拨鼠》系列百科栏目,并正式整合到与非网主站的资讯频道中。

 

每隔半月,我将精选最具价值的电子产品或技术话题,并准时为各位网友奉上精美的电子百科大餐。

 

技术在演变,钻研的态度不变。任何不准确之处,恳请各位网友斧正。同时也欢迎你们在文章的评论中留下任何意见建议、精彩创意以及你们希望了解的新话题。

 

言归正传,以下开始我们《电子土拨鼠系列百科》第1期的内容——

 

“只用固体材料即可实现电池功能的认识,终于被人们普遍接受了。”这是三年前,日本东京工业大学物质电子化学专业的菅野了次教授发出的感慨。

 

2013年发布的一份报告称:2020年,固态电池技术有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面将赶超锂离子电池技术;到2030年,固态电池技术将代替传统锂离子电池技术,成为电动车电池领域的主流。也就是说,锂离子电池将不再是电动汽车电池的主流了,只会在某些电子原件领域占有一席之地。

 

该报告还同时指出,电子消费产品领域的电池研发对下一代动力电池技术的进步作用更大。消费者对体积小、密度大、充电快的电池需求是最大的推力。

 

全固态电池

近几年,丰田汽车公司表示出了浓厚的兴趣,他们准备发明出与汽油的能源密度相近的电池,并计划在2020年用固态电池取代锂电池,从而全面实现全固态电池的商业化。

 

丰田推出续航力可达1000km的固态电池

 

然而,对固态电池抱有强烈兴趣的并非只有丰田一家。出光兴产(Idemitsu Kosan)在展示会上以2012年实用化为目标,展示了约A6大小的固态电池;日本中央电力研究所则在开发以住宅储能为目的的固态电池;电池制造厂商也 加入这股热潮:日本三星横滨研究院与韩国的三星电子已经开发出一种充放电周期寿命和输出特性都接近商业水准的固态电池。

 

固态电池,如何玩“固”?

说到固态电池,也称之为全固态锂二次电池,简称全固态锂电池。即电池各单元,包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池。全固态锂电池在构造上比传统锂离子电池要简单,固体电解质除了传导锂离子,也充当了隔膜的角色,大大简化了电池的构建步骤。全固态锂电池的工作原理与液态电解质锂离子电池的原理是相通的,充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌,通过固体电解质向负极迁移,电子通过外电路向负极迁移,两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。

 

全固态锂电池的构造结构图

 

全固态锂电池和传统锂电充电电池的特性比较

 

传统的锂电池,最大瓶颈就是使用了有机电解液。因为在过度充电或放电后,电解液很容易发热,从而容易诱发电池自燃或爆炸。

 

全固态电池,脱胎于锂离子技术,但比传统锂电池体积小、比能高且寿命长。使用的固态电解质,更为紧凑和稳定,耐高温且不易燃烧。

 

丰田研发的全固态电池模型采用了四组正负极层、固态电解质层;电池的平均电压是14.4V;并且能在100度的高温环境下使用。如果电池处于稳定状态,固态状的锂的传导率比液体电解液高,从理论上说拥有更高效的功率输出。

 

电池系统一直以来都是电动车上最昂贵的配置,售价可以高达1万美元。因为传统锂离子充电电池组除了蓄电池之外,还需要装配冷却设备和一些配套材料,这会使电池组变得更笨重和昂贵。而全固态电池的量产,将很好的解决纯电动车成本高、电池体积大等难题。

 

后锂世家,后生可畏

其实,在固态电池的大家族中,还有很多种类。他们在各自的应用中,都发挥着不俗的表现:

 

  • 半固态电池

半固态电池是一种新型半固态液流电池,能让电动汽车的行驶里程加倍,成本却仅为现有电动汽车电池的1/3。

 

这款名为“剑桥原油”的半固态液流电池,来自麻省理工学院蒋业明教授的团队研制。它的电极为细小的锂化合物粒子与液体电解液混合形成的泥浆,电池使用两束正负带电泥浆流。两束泥浆都通过集电器之间的透水膜赖交换锂离子。蒋业明表示,这款锂“半固体”流体电池每单位体积传递的电力是传统电池的10倍,不仅减少了电池内的“无效材料”,而且提高了电池的能效。

 

美德雷克塞尔纳米研究所所长尤里·伽戈崔称赞:“这可能是过去几十年电池领域最令人兴奋的研发。”

 

  • 全固态锂硫电池

去年,美国橡树岭国家实验室的科学家设计出了一种全新的全固态锂硫电池,其能量密度约为锂离子电池的4倍,且成本更低廉。

 

首先,他们合成出了一种富含硫的新物质,并将其作为电池阴极。然后,再将其同由锂制成的阳极以及固体电解质结合在一起,最后制造出了这种高能量密度全固态电池。因为锂硫电池携带的电压为锂离子电池的一半,平均电容为其8倍,所以,新电池的能量密度约为传统锂离子电池的4倍。

 

测试结果表明,新电池在60摄氏度以及300次充放电后,电容还可以维持在1200毫安小时/克,约为传统锂离子电池的8倍。

 

目前,尽管新电池仍然处于演示阶段,研究人员希望尽快推向商业应用,他们正在为此技术申请专利。

 

全固态锂硫电池

 

  • “终极”电池——锂空气电池

那么,能量密度最高的“终极”电池是否存在呢?答案也许就在这里。

 

锂空气电池因其用金属锂作阳极、用大气中的氧气作为阴极,而在单位质量及体积的能量密度上得到飞跃性提升,所以被作为终极电池(ultimate battery)在研究。他是由日本产业技术综合研究所与日本学术振兴会共同开发出的一种新构造的大容量锂空气电池。

 

锂空气电池的设计构思是:只在金属锂的负极使用有机电解液,正极的空气级使用水性电解液。这样,既可以用作充电电池,也可用作燃料电池使用。所以,它又可以成为“金属锂燃料电池”。而且,用过的水性电解液中还可以提取出金属锂,锂空气电池就可以轻松的重复使用了。

 

科学家认为,锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍,可以提供与汽油同等的能量。所以,该技术极其有望用于汽车电池。在电力耗尽时,只需更换正极的水性电解液和负极的金属锂,就可实现连续行驶且无需充电等待时间。

 

目前,锂空气电池仍在开发中,要想实现商用,可能还需要10年的时间。

 

最前沿:你在哪“锂”?

 

  • 纸一样的固态电池

来自台湾的辉能科技公司,打破了过去的锂电池技术,采用FPC 软性电路板和固态电解质,自主研发出超薄柔性电池FLCB,厚度仅有0.33mm,可以像纸一样任意被裁减。但和普通纸张特性不同的是,FLCB可以耐受1300 摄氏度的高温,并且保证在穿刺、撕裂、撞击、甚至枪击等情况下不会漏液。在容量方面,一块182*230*0.4mm标准的FLCB容量为 1000-1400mAh。FLCB非常适合用于可穿戴式设备上。

台湾辉能科技在IDF 2013上展出可弯曲超轻薄高效能固态电池

 

2013年10月,三星SDI公司发布了全固态电池和多种形态的弯曲电池。由于内部没有保护液体和胶状物的隔离层,这种电池可以做得很薄。可以保证在被洞穿等外部冲击下,电池也能正常运转。

 

如果使用该产品,可以制造可弯曲、可卷起、可以像纸一样折叠的可穿戴式智能机器。SDI计划在2015年开发出在性能方面达到锂电池水平的全固态电池。

 

  • 可充电固态电池

2013年底,Cymbet公司推出了世界首款可充电固态电池芯片EnerChip。

 

与目前作为后备电源或者能量捕获存储的传统纽扣电池和超级电容器相比,Cymbet EnerChip电池具有许多独特的功能:覆盖系统产品的整个生命、超薄性、生态友好、无细胞毒性、优异的电学性能、与集成电路兼容以及高性价比。EnerChip可以封装为适用于表面贴装技术(SMT)的元件,所以EnerChip能够在小的外形中提供能量存储,并且带来了以前使用诸如锂离子纽扣电池或者超级电容器这些传统解决方案而无法实现的便利,非常适合于那些需要电池后备电源的应用

 

Enerchip可充电固态电池产品采用晶圆的切割工艺实现

 

思科、惠普、IBM和许多其他组织预计:到2020年,全球将拥有500亿到3000亿台物联网设备。而EnerChip解决方案可以为物联网传感器和可穿戴式技术提供电源。

 

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