[译] [转]锂离子电池在2020年的地位如何？

锂离子电池开发领域的一些领先企业，例如特斯拉（Tesla）以及研究型大学，在这项节能技术方面取得了长足的进步。

小型便携式电子产品的兴起要求同时开发强大的电池技术。自1990年代以来，锂离子电池（锂离子电池或LIB）已成为硬件军备竞赛中的领先者-取代了镍基电池。

锂离子电池中的离子流。图片由电池大学提供

但是，发展不会停滞。我们将探讨LIBS带来的好处，以及为何使用研发电池技术的EE不应对LIB的进展感到满意。

锂离子电池的优势

与金属替代品相比，锂离子在运行和充电时更稳定。尽管锂金属的密度更高，但LIB的能量密度仍然是镍镉电池的两倍。它们还具有以下有利特征：

• 单电池构建和整合

• 没有内存或需要进行维护的收费计划

• 休息时放电缓慢

• 相对安全的处置

• 可定制的单元配置，适用于各种应用

就比能量密度和体积能量密度而言，锂离子电池的性能超过许多其他电池类型。图片由罗切斯特理工学院和清洁能源研究所的Roberta A. DiLeo提供

尽管某些类型的锂离子电池（棱柱形细长）更昂贵，但锂离子技术通常保留了有利的成本/能量比。这些电池还易于更换，同时具有较长的保质期。

锂离子电池的缺点

与其他技术相比，锂离子电池更重-强调了移动设备的重量-功率平衡。这在一定程度上加剧了人们对手机外形的争论。许多用户更喜欢全天（或几天）的电池寿命，而其他用户则更喜欢终极的便携性。一些设备已经变得越来越大，以容纳更高的毫安小时（mAh）额定值的电池。这样可以延长两次充电之间的使用寿命。

LIB是用户安全的，但需要采取防护措施以防止其寿命期内的性能下降。这些保护电路保持电压和电流-使其保持稳定。尽管被动放电缓慢，但锂离子技术仍在老化。

尽管较高的充电电压可以增加容量，但会缩短锂离子电池的使用寿命并降低安全性。图片由Choi等提供。和电池大学

资源丰富是锂的一个持续问号。工程师主要使用世界上第33种最丰富的电池元件。早在2015年，绿色科技媒体（Green Tech Media）报导说，在最坏的情况下，我们只有足够的全球商店来维持我们17年的运营。

最后，电池整形会限制内部组件的布局。依赖LIB的工程师可能不得不调整其底盘以适应它们或进行功能让步。在某些情况下，这会阻碍创意产品的设计。这也可能促使公司寻找次等选择。迄今为止，我们为克服这些缺点做了什么？

2020年锂离子电池的创新

一些制造商拒绝接受锂离子电池外形的怪癖。随着设备在每次迭代中不断缩小，已将责任放在EE上以制定创造性的单元配置。

特斯拉的桌子电池

特斯拉（Tesla）是一家专注于锂离子技术的公司。自2006年以来，该公司一直在完善其LIB技术，并试图以创造性的方式缓解现有的锂离子问题。该公司提供以下准则以延长锂离子电池的使用寿命：

• 避免在充电状态下过高和过低（保持电池在2％到95％之间持续充电）

• 避免快速充电以提高能量稳定性和健康的内部温度

• 避免在寒冷的状态下充电

• 避免快速放电，同时限制每个电池的电流要求

特斯拉（Tesla）已经承认，每块电池都会随着时间的推移而退化。因此，可维修性对于车主而言至关重要。试想一下，特斯拉是否将单节LIB用于他们的车辆。如果该电池发生故障或完全死亡，则需要进行昂贵的维修。这就是为什么该公司使用大量电池（早期超过6,800个）来制造单个电池的原因。车主可能会在降级后更换单个单元，而不是完全将汽车当作垃圾。

在电池技术的最新发展中，特斯拉最近宣布了其台式电池项目，以对抗热量怪兽和提高功率输出。传统上，这些选项卡对于在大型电池中传输功率至关重要，同时也延长了电气路径。

特斯拉新的台式电池的横截面。图片由Business Insider提供

这在阻碍性能的同时打开了产生热量的大门。通过移除凸耳并安装内部螺旋基体，现在可以直接通过锂离子材料传输功率。

特斯拉表示，缩短了关键的电气路径，降低了工作温度，有望将能量密度提高五倍，功率提高六倍，范围扩大16％。由于简化了LIB设计，因此这些类型的改进有助于规模生产。

斯坦福大学建议使用固体材料代替液体电解质

典型的锂离子电池由两个电极组成，两个电极之间充满液体电解质。这种液体易挥发；刺破或短路可能会引起起火。一些制造商的设计特别容易受到影响。请注意，典型的LIB包括分隔器，该分隔器可保持电极间隔开，同时允许能量传输。

锂离子电池的示意图，包括隔板和电极之间的离子流。图片由电池大学提供

您可能还记得困扰三星的Galaxy Note 7的自然燃烧崩溃；这些设备起火最终是由压接，隔板损坏和短路引起的。

斯坦福大学的研究人员现在建议固体材料可以代替液体电解质。它们也更具成本效益。

锂，硼和硫作为可行的材料已经上升到最高（由于机器学习筛选）。固体可以承受更多的应力并抵抗更多次循环的破坏，从而支持固体可以在更长的时间内导电的观点。短路也很少见。

最大的挑战将是确保生产管道的安全，并弥合液体和固体之间的电导率差距。

南达科他州立大学拥护锂金属

据说锂金属是电池研究的圣杯。但是，这种材料用于阳极时，其长期可靠性值得怀疑。铝箔会随着时间形成尖锐的突起，称为树突。这些树突会在内部刺穿隔板，从而引起短路和起火。

树枝状晶体（如左图所示）可能会穿透隔板材料并引起短路和火灾。图片由Dean Sigler提供

如果我们能够阻止树枝状晶体生长，该怎么办？SDSU的科学家认为，在阳极和隔板之间使用新的氮化锂涂层可以做到这一点，从而消除了锂金属分布不均的缺陷。

等离子体处理的涂层还可以延长电池的使用寿命，延长离子导电性。锂金属电池将因此享有更大的知名度，甚至具有更高的机械强度。他们还将更有效地保留自己的能力。

锂离子及其表兄弟的未来

令人鼓舞的是，自锂离子电池诞生以来，它们已经走了多远。尽管该技术已经达到一定程度的成熟，但研究人员仍在寻找改进现有技术的方法。尽管许多人可能认为电池的发展已经放缓，但世界上最重要的公司和大学都在证明事实并非如此。我们还在寻找使生产中的LIB更经济的新方法。

这并不是说锂离子技术是万能的。如果发展和消费加速，全球锂储量将面临潜在威胁。安全性得到了极大的改善，虽然很少发生电池故障（根据电池大学，不到百万分之一），但是这些故障可能会造成人身伤害或财产损失。

此外，材料的可用性，成本的节省和生态友好性可能很快使钠离子替代品成为人们关注的焦点。