手机电池貌似提高很快,动力电池呢?

老张

【第一电动网】(专栏作家 老张消费级市场(笔记本、手机、MP3等)作为锂离子电池(下称锂电池)最早的“东家”,为锂电池的推广做出了巨大的贡献。今天,智能手机大行其道,电池再一次成为了制约智能手机发展的关键因素之一。这与如今的新能源汽车市场有几分相似。

对于电池能量密度的描述,一般有质量比能量和体积比能量两种说法。所谓质量比能量,就是每kg电池所携带的能量的多少,比如动力电池市场,多是以质量比能量去描述的。所谓体积比能量,一般指电池单位体积下所承载的能量的数量。目前主流手机电池的容量在2000~3000mAH,这样的容量的电池,其质量往往只有几十克,所以在移动消费级市场中,更关心的是电池的比体积能量。

日前,金立发布了一款名为M5的新手机,该手机具有超长续航功能。金立认为,手机续航,是国人使用智能手机的第一痛点,也是国民痛点。虽然在这个痛点上存在着一些争议,但是我们还来看看这款手机的电池吧。电池容量高达6020mAH,电池由两块3010mAH的电芯并联组成,能量密度达到650Wh/L左右。

从1991年,索尼发布了锂离子电池之后,至今的20多年时间里,锂离子的从本质上并没有什么变化。但尽管如此,也并非毫无创新,现在的锂离子电池,无论是效率还是容量,相比之前都有很大的提高,这是如何实现的呢?

如果我们反观近十年手机电池的发展,我觉得大概可以分为三个阶段。

第一个阶段,锂离子聚合物电池的兴起。

传统的锂离子电池使用的是普通液态锂电解质,但是在2005年以后,聚合物电解质的锂离子电池开始崭露头角。相对于之前的液态锂离子电池来说,聚合物锂离子电池除了在电化学特性上更有优势外,更重要的,是塑型更加灵活,能让电池做的更薄,体积利用率更高。

第二个阶段,手机电池的稳定期。

2010年以前,尤其是2007年以前,锂离子聚合物电池的兴起让手机电池容量有了长足的提高。但是随着技术的成熟,电池比能量提高的速度开始减缓。更重要的是,随着电池能量的加大,安全问题开始浮现在我们眼前。很多厂家开始着眼于提高电池的安全性指标,在电池的外壳防护上下了一些功夫。虽然不能提升电池的能量密度,但是在长期发展来看,还是必要的。因为能量密度增加,出现问题的损失也会越大。第一电动曾有文章说1kg动力电池等同于103gTNT,在不说TNT的心理暗示作用,我觉得从能量的角度去考虑安全性是不够全面的,要从能量的大小和能量的密度两方面去考量。

第三个阶段,手机电池的第二次能量密度提升。

到2013年以后,手机电池开始有一次的提升了能量密度。这里面有材料的原因,电池厂家通过改善工艺,提高了材料的压实密度,或通过其他的手段,让电池的容量有了进步。同时,即iPHONE之后,市场上越来越多的手机电池变得不可拆卸。通过电池和手机的“一体化”,省去了原来电池的硬壳保护,提升了电池的能量密度,或者根据电池结构,开发异型电池等。除此以外,更直接的一种方法,是提高电池的电压。普遍的,通过将电压平台提高0.1V左右,提高电池的能量。这与前一段比亚迪的磷酸铁锰锂电池有异曲同工之妙。目前,主流的手机电池能量密度保持在600Wh/L左右,有些厂家的产品会稍微高一些,比如小米手机,电池能量密度在620Wh/L以上,还是这款金立手机,能量密度达到650Wh/L。使用的哪种手段,还请对号入座。曾有报道说,当能量密度达到700Wh/L的时候,可能使电池的可充分循环寿命小于300次,爆炸的隐患大大增加。

既然提高电压有如此多的害处,为什么大家还要这么去做呢?这让我想起了一个故事。以前圆珠笔和钢笔的笔芯粗细度是一样的,但是有一个问题,就是圆珠笔书写2万字左右,就会出现漏油,主要原因就是笔珠的磨损寿命就在2万字左右,当所有人都在研究耐磨材料的时候,有个叫田腾山郎的日本人,开发了一款产品,就是让笔芯的油墨在2万字之前用完。这与现在的手机电池的研发思路有相似之处。智能手机,已不再是当年“用到坏”传统手机,而是像电脑一样,用一段之后,就需要更新升级。因此可能还没到电池出现问题的时候,手机已经淘汰了。虽然我个人认为,提高电池电压平台,实际上是一个比较冒险的方式,对电池的稳定性和寿命,都有着潜在的影响。但是目前看,适当的提高一点电池的工作电压,起码市场对这种做法还是接受的。

在这还要报个料,在一篇外媒一个网站上,我读到了这样一篇文章。内容是中国的蓝魔,使用了能量密度超过800Wh/L的锂电池,有兴趣的读者可以关注一下这个事情,以下是相关链接

和动力电池市场一样,我们也看到了许多新的技术,比如美国发布的一篇纳米电池的报道,通过电极结构的纳米孔,可以在12分钟之内将电池全部充满;还有号称能实现更快速充电的“铝电池”,可在一分钟充满电量;美国德雷赛尔大学的科学家,使用粘土,研制了一种高导电薄膜,这种称之为“MXene粘土”的材料,可以用于制作新一代大容量电池和超级电容器。

新的电池技术虽然是鼓舞人心的,但是任何的新技术,新材料都需要经过相当长的一个转化过程,才能成为商业的产品,比如锂电池,最早的锂电池的概念要追溯到上个世纪的六七十年代,之后液态锂离子电池和聚合物锂离子电池也是经历了十几年发展,才有了今天的状态。但是最近几年智能手机硬件发生了突飞猛进的进步,小小的手机性能,可以与一台个人电脑相媲美,这样电池技术有点吃不消了。所以虽然手机续航不一定是国民痛点,但起码也是短板之一。

很多人关心动力电池和消费级电池的区别。我觉得,从电池的角度来说,是没有本质的区别的。但是由于产品应用条件不同,所以设计的理念和思路也是不同的,从而导致我们所看到不同领域电池的产品属性,有很大区别。在消费级电池领域,没有五花八门的正极材料;而在动力电池领域,也很少谈到关于电解质变化对性能的影响。在能量密度方面,比如我们都知道2015年2月16日,科技部发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》,其中明确要求了2015年底轿车动力电池能量密度要达到200Wh/kg。作为消费级电池来讲,早在2013年,其能量密度就超过200Wh/kg的水平了,这不但与优化材料和结构有关,高电压的做法更是功不可没。由于消费级电池一般不成组使用,即使成组,也是几支电池之间的串并联,与动力电池简直是数量级的差别;“BMS”直接管理电芯;充放电电流较小;热管理也相对容易;一般来说,消费级电池质保期也只有1年,所以这种做法是完全可以满足消费级电池市场的需求的。但是在动力电池市场,可能就行不通了。动力电池的要求,相对要高更加综合,既有安全性的考虑,又有成本方面的评价,同时还有性能方面的要求。虽然在特斯拉身上,似乎完成了一次消费级电池与新能源汽车的完美结合,但是车的定位和价格,和我们期望中家用级的新能源汽车还是有一定差距的。

磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料、锰酸锂……各种正极材料冲击能量瓶颈的同时,我想是不是应该停下来考虑一下安全和其它的问题。消费市场,动力市场,储能市场,锂离子电池是不是能解决所有的问题。任何的电池可能都有他的适用环境。比如燃料电池,无论是作为新能源汽车的动力单元,还是作为市政供电设备来说,其电池特性上都是非常合适的,但是与现有锂离子电池体系相比,开发小型燃料电池便携设备可能使比较困难的。在高喊的技术突破的时候,更冷静的考虑一下锂离子电池的局限性。因为只有意识到这些局限性,才有可能探索新的电池体系。当然不得不承认,随着技术的推进,将来发展具有更高能量密度,并且能满足商业应用需求的新的电池体系,而且要求新体系所使用的材料要求环境友好,成本低廉,材料易获得,变得越来越困难了。因此,在发展锂离子电池的同时,我呼吁要对那些已经发现但并未充分商业化的电池体系,投入更多的精力和资源。

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老张 大牛作者

电池行业从业人员。长期从事“非主流”电池技术的开发工作。对电池界的新技术,新思路,很感兴趣。希望能和大家多多交流。


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