电池技术为何没能像芯片一样快速发展,电池技术何时能有突破?

​电池技术为什么停滞不前?

问:人类的电池技术为什么停滞不前?
未来什么会取代锂电池?看到有人说人类的未来都被锂电池束缚了,就个人感受上来说,手机电池技术好像也是很多年没事进步了?现在和未来,电池技术会有什么样的进步?

现在智能手机的电池电量很难撑过一天,但是在功能机时代满电续航时间通常都在2-3天甚至更长。为何智能手机性能越来越强,但是电池技术却停滞不前?

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我们知道,现在的智能手机包括其他大部分数码产品都是采用了锂电池。由于锂离子是最轻的碱金属元素,拥有着更小、更轻、能量密度更高的特性,所以迅速取代了镍电池。锂电池在上世纪70年代左右被发明出来,到了90年代,索尼生产出第一块能被商用的锂电池;接着到了21世纪初,锂电池被大规模用于手机、笔记本等智能设备。

我是科技数码随时答,很高兴能回答这个问题

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人类电池技术为什么停滞不前

最明显的例子,就是手机电池了,现在人最担心的就是手机没电了。谈到停滞不前,十年前手机里的锂电池和现在的锂电池肯定没法比,可十年前手机用的是小的黑白屏,现在手机是5寸以上的大彩屏,以前手机只需要打电话或发短信,现在都是重度依赖,通讯,游戏,社交,娱乐统统在手机上,一天机不离手。

在锂电池的构成物质中,有磷酸铁、锰、石墨、钛酸盐等其他金属和非金属材料,但只有靠着“锂离子”这个元素在正、负极中的嵌入与脱出,才可实现电能与化学能的相互转化,最终完成充放电过程。

不是电池技术停滞不前,只是人们的需求越来越大

针对这个问题,其实不是电池技术停滞不前了,而本质上是电池技术的进步没跟上电子产品发展的速度,相比现在的电子产品,以智能手机为例,是三个月一小变,大半年就能来个大变,而电池容量呢?始终是那么点电容量,也始终是锂离子电池,所以给了我们电池技术停滞不前的假象。

电池技术的相比几年前已经有了很大的变化,最大变化是内置的材料发生了根本改变,首先在十年前电池普遍是镍镉电池,这种电池有个不好地方就是记忆效应,长期不彻底充、放电,会在电池内留下痕迹,降低电池容量。而现在改用的锂电池则是没有这个记忆效应,所以锂电池是可以做到随充随用的。

其次,存储寿命、耐热性、能量比大的都是锂电池的特点,这几年锂电池的电量都在逐渐进步,使得智能手机的续航在逐渐增加。另外,我们现在的纯电动车所用的电池就是锂电池,像特斯拉的纯电动车是能实现400公里的续航的。

如果想要现在的电池技术发生巨大提升,那么锂电池的电池材料就得更换了,近些年来锂电池的理论能量密度在逐渐接近物理极限。而现在新兴材料应用到电池上都还在实验室中,只有着安全性、成本平衡后生产。

的确,如你所言,在电池方面,目前研究的大有人在,但是能带来锂电池革命性进步的,恐怕几年内很难有人做到,锂电池恐怕还将陪伴人类走很长一段时间。在消费电子领域,以手机为例,现在提高电池的使用时长的方法,还只能是解决CPU、屏幕等耗电上。

为什么呢?

目前,应用于消费电子的锂电池,在负极材料方面大多采用石墨材料,正极方面多是钴酸锂。

锂电池的原理非常简单,就是正极、负极依赖于氧化还原反应,带电的锂离子在电解液中来回穿梭。目前,在消费电子领域,锂电池的正极用料是钴酸锂,负极用料也一直都是石墨。虽然在负极材料方面,石墨烯取得突破性进展,但是无法商业化,因为石墨烯太太太贵了。

所以,要实现电池的革命,就要从正负极的用料上做文章,要找到比石墨和钴酸锂更好、更便宜的搭档才行。而这一过程,需要不断的尝试,就像当初爱迪生发明灯泡一样,需要的不是智慧,更多的是运气了。

所以,目前业内人士对锂电池的进步也都持有比较悲观的态度。

当然,既然锂电池的处境这么尴尬,人类也在想如何跳过锂电池,寻求一种全新的电源解决方案。

现在比较热门的一个是无线充电,一个就是超级电容,还有一个是核电池(就跟钢铁一样滴)。

先说核电池,现在已经不是什么黑科技了,技术已经比较成熟,早在2006年,中国原子能科学研讨院就研制出了我国第一个钚238同位素电池,给探月工程准备的。

还有,核动力心脏其实也都研究出来了,但是呢,很遗憾的是,核能电池虽然技术已经日渐成熟,但还是太太太贵了。

再说超级电容。超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置功率密度高、循环寿命长、安全又可靠,现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域。但缺点就是,超级电容本身能量密度低,体积都比较大,什么时候能迷你化,那电池的革命也就来到了。

还有无线充电,其实它的普及也许就在一夜之间。毕竟,它所耗费的电能并不多,只是这个商业模式如何建立,目前还不确定。苹果已经开始采用这一技术,总体来说,无线充电是距离我们最近的一项技术了。

电池技术是有进步的只不过非常小,想要发生革命性改变并普及,目前来说是不可能的。

拿手机举例,目前市面上的手机电池基本都是锂电池,因为锂是所有金属中电位最低的金属,用锂作负极产生的额定电压较高,锂离子电池能够具有较高的能量密度,单位重量的情况下锂电池的能量是铅蓄电池的5倍以上,并且锂元素不是重金属,对环境造成的污染非常小,自身逃电率低、重量轻和使用寿命长,都是其它电池无法比拟的,目前也没有找到比锂电池更适合大面积使用的电池。

想要增加手机的续航能力,那就要想办法增加锂电池的能量密度,但能量密度和锂元素本身有很大的关系,在锂元素不变的基础上,科研人员只有不断更换电解液和正级材料才能勉强将电池的续航能力提高一点点,每年的进步只有3%左右。照理来说,每年进步3%,这十几年应该也有很大进步了,但实际上电子产品的更新换代更快。芯片里的晶体管都是纳米级的,晶体管越做越小,芯片的处理能力一直在提高,芯片的运算能力一直在变强,那么耗电量就更大了。所以看起来好像是电池技术没有什么进步,但其实已经进步不少了,只不过芯片进步更快,将电池技术的进步抹平了。

之前有报道石墨烯电池是未来最具有潜力的电池,它的能够承受上至100摄氏度,下至零下50摄氏度的温度环境,稳定的充放电次数也比锂电池要多,放置在火中也不会爆炸,续航能力比锂电池更强等。
现实情况是,石墨烯是没办法量产的,而且生产制造难度较大,成本也较高,不少学者认为石墨烯的报道都是出于某种目的,夸大虚假的宣传,泡沫太大了。网上的很多黑科技电池,号称几秒钟充满电,或者比锂电池更牛的电池,这类电池都是非常不安全的,容易爆炸,无法量产。

人类电池技术一直在发展,但发展速度赶不上新科技对电量消耗

最明显的例子,就是手机电池了,现在人最担心的就是手机没电了。谈到停滞不前,十年前手机里的锂电池和现在的锂电池肯定没法比,可十年前手机用的是小的黑白屏,现在手机是5寸以上的大彩屏,以前手机只需要打电话或发短信,现在都是重度依赖,通讯,游戏,社交,娱乐统统在手机上,一天机不离手。

现在常用的锂电池已经是很成熟的技术

锂离子电池都已经应用了20年了,靠锂离子通过电解液在钴酸锂正极和碳负极间运动来实现充放电,基本原理很清楚,电池性能的进步空间有限了。最新的研究也都是开发出新型的正负电极材料,实现稳定的充放电循环,但科研进展报道的很多,但涉及到商业化应用,最大的问题就是制备成本过高。

当前也有一些石墨烯电池的研究和报道,更多的是炒作石墨烯的概念

例如,现在有一些石墨烯电池的研究和报道,但更多的是对石墨烯的概念炒作,他们也只是把石墨烯这种明星材料少量的添加到锂离子电池中去,算是掺杂了石墨烯的锂离子电池。石墨烯在电池里或者增加电解液的导电性用,或者直接掺在负电极材料中,有很多高性能的类似报道,然而综合性能也难以实现突破,受限于石墨烯材料的价格和制备工艺,短期也没法实现纯石墨烯电极的应用。

电池技术肯定一直在进步,期待有新鲜的技术能把电池技术突破,至于有些回答谈到核电池,这目前还不是民用的选择了。

量子实验室,专注科学问题,欢迎评论和关注。

其实电池技术没有停滞不前, 只是进步不够明显。

最近40年,芯片技术疯狂发展,数据显示18个月就能翻一翻,电子计算机从最初的5000次/秒进步到现在太湖之光12.5亿亿次/秒。而便携式设备的发展同样让人兴奋,手机、智能手表、游戏主机、蓝牙耳机……哪一个不是需要电池加持。

相较之下,锂电池发展就显得有些慢了。使用量最大的锂电池——18650圆柱形电池——10年前最大容量仅有2.6Ah,现在进步到3.6Ah,进步幅度在30%,平均每年3%。

材料不断更替,也让锂电池不断进步,电压经历了4.10/4.20/4.35三个阶段,碳性干电池也变成了碱性电池,放电得到改善;铅酸蓄电池换作铅钙电池,不需要定期加水;镍镉电池换作了镍氢电池,容量20年内翻了2番,500mAh涨到了2000mAh。

更主要的是,这些改进让锂电池的安全性能不断提高,爆炸事故日趋减少(但也不是没有)。

这些进步按道理算不得缓慢,只是比起电子设备这些时代产物,还是稍逊一筹罢了。

图:广州旧时电池厂为了改进电池,材料更替自然是一大方向(后文补充)。但也有其他的技术手段。

例如近年手机充电的潮流,快充,从10W提升到18W,用充电速度弥补电量问题。一些我们不曾注意到,例如手机在变薄、功能在提高,相对的屏幕就越来越大了,电池才能跟着变大,电容量才能提高。

又或是无线充电技术、wifi充电技术,或者智能省电程序,这些都算是另辟蹊径。

本质上,锂电池还是锂电池,对于电池研发的工作人员而言,确实是一件揪心的事,试想难得一项成果出来,电池效率提高7%~8%,不错了吧?呵,隔壁CPU性能翻了一倍。

材料更替方向上,最大的问题可能就是贵了吧。

不管是核电池还是石墨烯电池,价格都不适合民用,还有一些像空气电池这样的乌托邦技术,也算是一种希望吧。

总之现在的电池技术确实是科技的绊脚石,但实话说,更多是局限了民用级别的发展。

反正现在充电频繁也不是坏事,不是吗?

然而,锂电池的技术进步发展缓慢。

一楼说到了无线充电技术,恰好我在这方面有一些了解,无线充电技术看似技术比较成熟,但是实际上还是无法解决一个问题:能量损失与充电效率的问题。

理论上,能量在传播的过程中无可避免的会损失,其中,固体的传播损失最小、液体其次,空气最差。所以所谓的无线充电从根本上是无法解决这一问题,即使技术有所突破和提高,只不过是损失多少的问题,但是随着传输距离的增加,损失将会越发增加。这是能量守恒的定理所决定的,所以无线充电只不过是看似具有前景,实际上不过是海市蜃楼罢了。

但是,如果同时满足以下两种情况,会使得无线充电不再是海市蜃楼:

1)充电速度的提升;

2)电的价格变得非常低;

实际上,当充电速度变得非常快的时候,无线充电本身的价值也就不高了(所以,直接解决充电速度的问题才是未来电池技术发展的关键)。

目前锂离子电池在能量密度、高低温特性、倍率性能上,都远远高于铅酸、镍氢电池,但还是难以满足快速增长的电子产品、电动汽车等长续航需求。

再来说说题目:人类的电池技术为什么停滞不前?

首先我得否决你这个问题,试想20年前与10年前的电池技术。与现在相比?没有进步?显然是不客观的,只是电池的进步没有跟上发展的需要,20年前,200MA的电池可以用好几天,但是2000MA的电池却用不了一天。

针对你的几个问题,我谈谈自己的一些看法,

1)未来什么会取代锂电池?

锂电池的功能是什么?当然是蓄电与充电,有一些情况会使得锂电池被替代:

A
电池技术的发展(材料学的发展),如楼上说的石墨烯,如果能解决成本问题,自然是一个替代;

B
能源技术的发展,如果用能量棒直接替代电池,那么是否还需要电池本身?如果人类的能源不再以电力为主,那么还需要电池么?锂电池自然也不需要了,当然,这不是短时间能够发生的事情。但也不要小看历史的偶然性,与科学技术的累积式爆发增长。

2)电池技术是否已经进步?

这是显然地,多年来,电池技术已经明显有所提升,就拿锂电池替代传统地化学电池来说,这本身就是一种进步,而一项新技术的发明还需要一段成熟的时间。锂电正在逐步走向成熟。

未来,只要需求足够大,技术不应当是太大的问题,在既有的科学体系框架内,只要足够的时间,问题迟早会得到解决。

3 )电池技术有何种进步?

A 单位体积蓄能的增加

B 充电时间与效率的增加

实际上,目前的电池应用领域,手机等终端设备的电池市场已经不再是最主要的板块了,随着电动汽车的迅速崛起,车用动力电池领域也同样值得关注。而且,这个领域对于电池的容量、寿命、安全性等要素的要求更为严格,也就催生了除锂电池之外的多种新型电池技术。

1、固态电池,这是一种使用固体电极和固体电解液的电池,凭借着功率密度较低、能量密度较高等优点,它成为电动汽车很理想的动力来源。根据市场调查公司的预计,2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展,在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术。

2、锂空气电池,凭借着阴极(以多孔碳为主)较轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里的优势,锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度。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。锂空气电池从空气中吸收氧气充电,因此这种电池可以更小、更轻,目前全球不少实验室都在研究这种技术。

3、Li-S电池,Li-S电池是后锂离子电池时代的核心电池技术之一。S正极材料具有超高的能量密度,加之S的廉价易得、质量较轻等优点,使得其有望在2030年前实现进一步实用化。

4、锂离子电池,实际上,面对着竞争对手的步步紧逼,锂离子电池自身也在不断的改型进化之中。改良型锂离子充电电池打算将正负极换成更高容量的材料来实现,充放电次数可在3万次以上。实现目前约2倍能量密度、即200~300Wh/kg的改良型锂离子充电电池正在推进开发。

首先,目前在电池研究方面,有许许多多的研究人员在投入其中。电池技术并不是停滞不前,只是在其他科技产品的快速发展下,将其衬托的速度没有那么快而已,才会给人造成电池技术好像一直没有发展的感觉。但是,就实际情况而言,锂电池还将陪伴人类很长一段时间。

其次,电池技术是有进步的,最明显的例子就是手机电池了。十年前的手机里的电池跟现在手机里的锂电池肯定没法比,可十年前手机用的是小的黑白屏,现在的手机基本上是大彩屏。以前手机只可以用来打电话或发短信,现在的手机囊括了通讯、游戏、娱乐、社交等等,统统都可以在手机上实现。

最后,技术上,目前,应用于消费电子的锂电池,在负极材料方面大多采用石墨材料,正极方面多是钴酸锂。所以,要实现电池的革命,就要从正负极的材料上做文章,要找到比石墨和钴酸锂更好、更便宜的搭档。而这一过程需要不断的尝试才行,需要的不仅是智慧,而且还需要坚持不懈的毅力。

综上所述,人类的电池技术一直在慢步前行,这个过程是漫长的,但是结果也一定会在未来的某一天到来。大家对未来的电池技术有什么期待吗?

谢邀。这个问题目前已经有近130多个回答,可谓见仁见智。品胜君也来尝试回答一下,权当抛砖引玉。

准确地说,电池技术并非停滞不前,而是相对其他技术的日新月异来说,进步不是很明显。

锂电池的原理非常简单,就是正极、负极依赖于氧化还原反应,带电的锂离子在电解液中来回穿梭。想要增加手机的续航能力,那就要想办法增加锂电池的能量密度,但能量密度和锂元素本身有很大的关系,在锂元素不变的基础上,只有不断更换电解液和正极材料才能勉强将电池的续航能力提高一点点,而每年的进步只有3%左右。

一、锂电池本身的进步空间有限

锂电池在上世纪70年代左右被发明出来,直到90年代,索尼才生产出第一块能被商用的锂电池;到了21世纪初,锂电池才被大规模用于手机、笔记本等智能设备。

大家可以看到,电池发展到锂电池后,核心理论和原理30年来都没有大的突破。这是为什么呢?

锂电池是化学电池,其构成为正极、负极、电解质。通用的锂电池,正极材料是钴酸锂,负极材料是石墨。经过反复的试验研究发现,钴酸锂和石墨这两者的配合是最默契稳定的。

而且锂电池具有相当的优势:

1.环境友好,没有记忆效应。相比锂电池之前的镍氢电池等,否则每次充电都要充到100%,那可真的太麻烦了。

2.能量密度比较高,单位体积内能储存更多的电量。其他材料,要么根本喂不饱现在的智能设备,要么就要体积太大,不符合轻薄化的趋势。

3.锂电池的性价比是最高的。当下,关于电池最新的研究也都是开发出新型的正负电极材料,但涉及到商业化应用,最大的问题就是制备成本过高。

所以,要实现电池的革命,就要从正负极的用料上做文章,要找到比石墨和钴酸锂更限、更便宜的搭档才行,但这并不容易。

从另外一个方面说,电池技术没有重大突破真不是什么坏事,电池按兵不动,反而倒逼着其他硬件工艺、技术飞速发展。比如快充技术和无线充电就是最典型的。

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二、未来最具潜力的锂电池新材料

(该资料来源于“新材料在线”经修改编辑)

锂电池的发展正处于一个瓶颈期,能量密度已经接近其物理极限。我们需要新的材料或者技术去实现锂电池的突破,以下几种电池材料被业内人士一直看好,或将成为打破锂电池障碍的突破口。

1、硅碳复合负极材料

数码终端产品的大屏幕化、功能多样化后,对电池的续航提出了新的要求。硅碳复合材料作为未来负极材料的一种,其理论克容量约为4200mAh/g以上,比石墨类负极的372mAh/g高出了10倍有余,其产业化后,将大大提升电池的容量。

2、钛酸锂

近年来,国内对钛酸锂的研发热情较高,钛酸锂的优势主要有:循环寿命长(可达10000次以上),属于零应变材料(体积变化小于1%),不生成传统意义的SEI膜;安全性高。其插锂电位高,不生成枝晶,且在充放电时,热稳定性极高;可快速充电。

3、石墨烯

石墨烯自2010年获得诺奖以来,广受全球关注,特别在中国。国内掀起了一股石墨烯研发热潮,其具诸多优良性能,如透光性好,导电性能优异、导热性较高,机械强度高。

鉴于石墨烯当前的批量生产工艺不成熟、价格高昂、性能不稳定,石墨烯将率先作为正负极添加剂在锂离子电池中使用。

4、碳纳米管

碳纳米管是一种石墨化结构的碳材料,自身具有优良的导电性能,同时由于其脱嵌锂时深度小、行程短,作为负极材料在大倍率充放电时极化作用较小,可提高电池的大倍率充放电性能。

5、富锂锰基正极材料

高容量是锂电池的发展方向之一,但当前的正极材料中磷酸铁锂的能量密度为580Wh/kg,镍钴锰酸锂的能量密度为750Wh/kg,都偏低。富锂锰基的理论能量密度可达到900Wh/kg,成为研发热点。富锂锰基虽然克容量优势明显,潜力巨大,但限于技术进展较慢,其大批量上市还需时间。

6、动力型镍钴锰酸锂材料

一直以来,动力电池的路线存在很大争议,因此磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料等路线都有被采用。磷酸铁锂虽然安全性高,但其能量密度偏低软肋无法克服,而新能源汽车要求更长的续航里程,因此长期来看,克容量更高的材料将取代磷酸铁锂成为下一代主流技术路线。

7、涂覆隔膜

涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等胶黏剂或陶瓷氧化铝。涂覆隔膜的作用是:1、提高隔膜耐热收缩性,防止隔膜收缩造成大面积短路;2、涂覆材料热传导率低,防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控。

8、陶瓷氧化铝

在涂覆隔膜中,陶瓷涂覆隔膜主要针对动力电池体系,因此其市场成长空间较涂胶隔膜更大,其核心材料陶瓷氧化铝的市场需求将随着三元动力电池的兴起而大幅提升。

用于涂覆隔膜的陶瓷氧化铝的纯度、粒径、形貌都有很高要求,日本、韩国的产品较成熟,但价格比国产的贵一倍以上。

9、高电压电解液

提高电池能量密度乃锂电池的趋势之一,目前提高能量密度方法主要有两种:一种是提高传统正极材料的充电截止电压,如将钴酸锂的充电电压提升至4.35V、4.4V。但靠提升充电截止电压的方法是有限的,进一步提升电压会导致钴酸锂结构坍塌,性质不稳定;另一种方法则是开发充放电平台更高的新型正极材料,如富锂锰基、镍钴酸锂等。

正极材料的电压提升后,需要与之配套的高电压电解液,添加剂对电解液的高电压性能起到关键性作用,其成为近年来的研发重点。

电池技术停滞不前?从大家的直观感受来说,似乎如此。但这只是一个假象,电池技术在发展,一直在发展。

电池技术停滞不前这个印象是怎么形成的?因为,大家都有亲身体会,手机性能越来越强大,但是电池续航能力似乎没有明显改善。但是,这种看似直观的印象是非常片面的。从本身来说,手机电池也在不断发展,电池技术的发展没有处理器等配件的发展那么令人瞩目罢了。其次,电池技术进步不仅仅表现在续航能力这一个指标上。大家说的“电池技术停滞不前”主要就是“手机锂电池容量没有突破性进展”的意思。就手机电池而言,可以认为电池技术是在发展的,只不过由于各种原因形成了“停滞不前”的印象。如果时间稍微拉长一点,我们就可以轻而易举地发现电池技术的进步非常大!

其实单纯从数据看锂电池续航能力每年进步3%,长期积累下来也不小。但实际上电子产品的更新换代更快。芯片里的晶体管越做越小,芯片的处理能力一直在提高,芯片的运算能力一直在变强,相对应的手机耗电量就更大。即便电池技术有所提升,但是被芯片性能提升的功耗所抵消,因此电池技术看起来好像没有太多的进步。

1. 电池容量有了明显提高(渐进式的提高)

虽然在智能手机时代,手机电池的容量没有继续出现颠覆人类认知的突破性提高。但是,在智能手机没有普及之前,大家应该对“超长续航手机”有点印象,那分明就是手机性能没有突破之前,电池技术进步带来的性能过剩嘛。但是在智能手机爆发之后,手机用电需求彻底改变,为了实现各种功能,耗电大大增加。手机电池的容量依然保持着稳定的增长态势,但是手机性能是爆炸式增长,所以显得黯淡无光。实际上,我们的智能手机电池容量一直还是有小幅提高的,时间拉长一点看,容量提升就很明显了。但要出现爆炸式增长,只有等到下一种具有革命意义的电池材料出现。我们可以看一下历代苹果手机的电池容量变化可以发现,在体积不变的情况下,电池容量在新一代会比上一代有小幅度提升。

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