鋰離子電池開發(fā)領(lǐng)域的一些領(lǐng)先企業(yè)，例如特斯拉（Tesla）以及研究型大學(xué)，在這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步。

小型便攜式電子產(chǎn)品的興起要求同時(shí)開發(fā)強(qiáng)大的電池技術(shù)。自1990年代以來，鋰離子電池（鋰離子電池或LIB）已成為硬件軍備競賽中的領(lǐng)先者-取代了鎳基電池。

鋰離子電池中的離子流。圖片由電池大學(xué)提供

但是，發(fā)展不會(huì)停滯。我們將探討LIBS帶來的好處，以及為何使用研發(fā)電池技術(shù)的EE不應(yīng)對(duì)LIB的進(jìn)展感到滿意。

鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)

與金屬替代品相比，鋰離子在運(yùn)行和充電時(shí)更穩(wěn)定。盡管鋰金屬的密度更高，但LIB的能量密度仍然是鎳鎘電池的兩倍。它們還具有以下有利特征：

• 單電池構(gòu)建和整合

• 沒有內(nèi)存或需要進(jìn)行維護(hù)的收費(fèi)計(jì)劃

• 休息時(shí)放電緩慢

• 相對(duì)安全的處置

• 可定制的單元配置，適用于各種應(yīng)用

就比能量密度和體積能量密度而言，鋰離子電池的性能超過許多其他電池類型。圖片由羅切斯特理工學(xué)院和清潔能源研究所的Roberta A. DiLeo提供

盡管某些類型的鋰離子電池（棱柱形細(xì)長）更昂貴，但鋰離子技術(shù)通常保留了有利的成本/能量比。這些電池還易于更換，同時(shí)具有較長的保質(zhì)期。

鋰離子電池的缺點(diǎn)

與其他技術(shù)相比，鋰離子電池更重-強(qiáng)調(diào)了移動(dòng)設(shè)備的重量-功率平衡。這在一定程度上加劇了人們對(duì)手機(jī)外形的爭論。許多用戶更喜歡全天（或幾天）的電池壽命，而其他用戶則更喜歡終極的便攜性。一些設(shè)備已經(jīng)變得越來越大，以容納更高的毫安小時(shí)（mAh）額定值的電池。這樣可以延長兩次充電之間的使用壽命。

LIB是用戶安全的，但需要采取防護(hù)措施以防止其壽命期內(nèi)的性能下降。這些保護(hù)電路保持電壓和電流-使其保持穩(wěn)定。盡管被動(dòng)放電緩慢，但鋰離子技術(shù)仍在老化。

盡管較高的充電電壓可以增加容量，但會(huì)縮短鋰離子電池的使用壽命并降低安全性。圖片由Choi等提供。和電池大學(xué)

資源豐富是鋰的一個(gè)持續(xù)問號(hào)。工程師主要使用世界上第33種最豐富的電池元件。早在2015年，綠色科技媒體（Green Tech Media）報(bào)導(dǎo)說，在最壞的情況下，我們只有足夠的全球商店來維持我們17年的運(yùn)營。

最后，電池整形會(huì)限制內(nèi)部組件的布局。依賴LIB的工程師可能不得不調(diào)整其底盤以適應(yīng)它們或進(jìn)行功能讓步。在某些情況下，這會(huì)阻礙創(chuàng)意產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。這也可能促使公司尋找次等選擇。迄今為止，我們?yōu)榭朔@些缺點(diǎn)做了什么？

2020年鋰離子電池的創(chuàng)新

一些制造商拒絕接受鋰離子電池外形的怪癖。隨著設(shè)備在每次迭代中不斷縮小，已將責(zé)任放在EE上以制定創(chuàng)造性的單元配置。

特斯拉的桌子電池

特斯拉（Tesla）是一家專注于鋰離子技術(shù)的公司。自2006年以來，該公司一直在完善其LIB技術(shù)，并試圖以創(chuàng)造性的方式緩解現(xiàn)有的鋰離子問題。該公司提供以下準(zhǔn)則以延長鋰離子電池的使用壽命：

• 避免在充電狀態(tài)下過高和過低（保持電池在2％到95％之間持續(xù)充電）

• 避免快速充電以提高能量穩(wěn)定性和健康的內(nèi)部溫度

• 避免在寒冷的狀態(tài)下充電

• 避免快速放電，同時(shí)限制每個(gè)電池的電流要求

特斯拉（Tesla）已經(jīng)承認(rèn)，每塊電池都會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。因此，可維修性對(duì)于車主而言至關(guān)重要。試想一下，特斯拉是否將單節(jié)LIB用于他們的車輛。如果該電池發(fā)生故障或完全死亡，則需要進(jìn)行昂貴的維修。這就是為什么該公司使用大量電池（早期超過6,800個(gè)）來制造單個(gè)電池的原因。車主可能會(huì)在降級(jí)后更換單個(gè)單元，而不是完全將汽車當(dāng)作垃圾。

在電池技術(shù)的最新發(fā)展中，特斯拉最近宣布了其臺(tái)式電池項(xiàng)目，以對(duì)抗熱量怪獸和提高功率輸出。傳統(tǒng)上，這些選項(xiàng)卡對(duì)于在大型電池中傳輸功率至關(guān)重要，同時(shí)也延長了電氣路徑。

特斯拉新的臺(tái)式電池的橫截面。圖片由Business Insider提供

這在阻礙性能的同時(shí)打開了產(chǎn)生熱量的大門。通過移除凸耳并安裝內(nèi)部螺旋基體，現(xiàn)在可以直接通過鋰離子材料傳輸功率。

特斯拉表示，縮短了關(guān)鍵的電氣路徑，降低了工作溫度，有望將能量密度提高五倍，功率提高六倍，范圍擴(kuò)大16％。由于簡化了LIB設(shè)計(jì)，因此這些類型的改進(jìn)有助于規(guī)模生產(chǎn)。

斯坦福大學(xué)建議使用固體材料代替液體電解質(zhì)

典型的鋰離子電池由兩個(gè)電極組成，兩個(gè)電極之間充滿液體電解質(zhì)。這種液體易揮發(fā)；刺破或短路可能會(huì)引起起火。一些制造商的設(shè)計(jì)特別容易受到影響。請(qǐng)注意，典型的LIB包括分隔器，該分隔器可保持電極間隔開，同時(shí)允許能量傳輸。

鋰離子電池的示意圖，包括隔板和電極之間的離子流。圖片由電池大學(xué)提供

您可能還記得困擾三星的Galaxy Note 7的自然燃燒崩潰；這些設(shè)備起火最終是由壓接，隔板損壞和短路引起的。

斯坦福大學(xué)的研究人員現(xiàn)在建議固體材料可以代替液體電解質(zhì)。它們也更具成本效益。

鋰，硼和硫作為可行的材料已經(jīng)上升到最高（由于機(jī)器學(xué)習(xí)篩選）。固體可以承受更多的應(yīng)力并抵抗更多次循環(huán)的破壞，從而支持固體可以在更長的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)電的觀點(diǎn)。短路也很少見。

最大的挑戰(zhàn)將是確保生產(chǎn)管道的安全，并彌合液體和固體之間的電導(dǎo)率差距。

南達(dá)科他州立大學(xué)擁護(hù)鋰金屬

據(jù)說鋰金屬是電池研究的圣杯。但是，這種材料用于陽極時(shí)，其長期可靠性值得懷疑。鋁箔會(huì)隨著時(shí)間形成尖銳的突起，稱為樹突。這些樹突會(huì)在內(nèi)部刺穿隔板，從而引起短路和起火。

樹枝狀晶體（如左圖所示）可能會(huì)穿透隔板材料并引起短路和火災(zāi)。圖片由Dean Sigler提供

如果我們能夠阻止樹枝狀晶體生長，該怎么辦？SDSU的科學(xué)家認(rèn)為，在陽極和隔板之間使用新的氮化鋰涂層可以做到這一點(diǎn)，從而消除了鋰金屬分布不均的缺陷。

等離子體處理的涂層還可以延長電池的使用壽命，延長離子導(dǎo)電性。鋰金屬電池將因此享有更大的知名度，甚至具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。他們還將更有效地保留自己的能力。

鋰離子及其表兄弟的未來

令人鼓舞的是，自鋰離子電池誕生以來，它們已經(jīng)走了多遠(yuǎn)。盡管該技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一定程度的成熟，但研究人員仍在尋找改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的方法。盡管許多人可能認(rèn)為電池的發(fā)展已經(jīng)放緩，但世界上最重要的公司和大學(xué)都在證明事實(shí)并非如此。我們還在尋找使生產(chǎn)中的LIB更經(jīng)濟(jì)的新方法。

這并不是說鋰離子技術(shù)是萬能的。如果發(fā)展和消費(fèi)加速，全球鋰儲(chǔ)量將面臨潛在威脅。安全性得到了極大的改善，雖然很少發(fā)生電池故障（根據(jù)電池大學(xué)，不到百萬分之一），但是這些故障可能會(huì)造成人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失。

此外，材料的可用性，成本的節(jié)省和生態(tài)友好性可能很快使鈉離子替代品成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。