向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
广告

会有锂电池技术的摩尔定律吗?

时间:2019-10-01 作者:Larry Desjardin 阅读:
许多人认为,与半导体的摩尔定律类似,电池技术在关键指标上具备固有的增长率(重量能量密度每年增长5~8%),但我们可预期这种情况持续吗?

电池技术革命正在进行中,而且是由锂离子电池所推动。无论是手机、笔记本电脑,还是电动/混合动力汽车,都有机会是以锂离子电池所供电。业界对这项技术的投资很大,2016年这一市场的规模就已达到230亿美元,年度增长率达到17%。Fk0ednc

EDN-Commnets-F1-201910.jpgFk0ednc
图1:汽车应用是推动锂离子电池市场增长的主动力。(图片来源:Avicenne Energy)Fk0ednc

从图1可以看到,锂离子电池的消费类应用市场增长率相对平缓,而电动汽车与大巴车(包括混合动力汽车)则是推动市场增长的主力。消费类电子应用市场增长持平,应该是由于两个主要因素:数量较大以及平均销售价格较低。Fk0ednc

随着电动(包括混合动力)汽车的普及率越来越高,预期瞄准此类应用的锂离子电池市场将持续增长,以MWh计算,复合年均增长率(CAGR)达到17%;以营收计,CAGR则为12% (图2)。Fk0ednc

EDN-Commnets-F2-201910.jpgFk0ednc
图2:电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及电动大巴对于锂离子电池的需求持续增加。(图片来源:Avicenne EnergyFk0ednc

这些应用需要较高的容量重量比(重量能量密度,以Wh/kg为单位),以及较高的容量体积比(体积能量密度,以Wh/L为单位),锂离子电池又是否能够满足呢?Fk0ednc

许多人认为,与半导体的摩尔定律类似,电池技术在关键指标上具备固有的增长率(重量能量密度每年增长5~8%),但我们可以预期这种情况得到持续吗?Fk0ednc

摩尔定律出自于英特尔联合创始人Gordon E. Moore在1965年发表的一篇论文,它假设在某个给定的单位空间内可封装的晶体管数量每两年大约会增长一倍。该理论的先见之明引人瞩目,而且被大多数高科技企业当作前瞻性预测指标。Fk0ednc

不过摩尔定律并非物理定律,如同美国加州理工学院(Caltech)的教授Carver Mead在2005年所言:“摩尔定律实际上与经济学相关,是人们的信仰体系——它不是一种物理定律,而是人类的信仰。当人们相信某件事情时,他们就会集中精力应对而使其成真。”Fk0ednc

我认为,这还需要强大的经济需求以及技术倾向,才能实现指数级的演进。CMOS两者兼具,推动了IT与通信的革命,品质因数(figure of merit)是晶体管的数量,这本身也有助于芯片的小型化。Fk0ednc

锂离子电池能一样吗?如先前所提,其重量能量密度每年有5~8%的改善,虽然没有像是摩尔定律的每年40%这么高,但无疑也是一种指数式的增长,只是速率比较低。问题在于这种技术本身是否适合这种持续性的演进。Fk0ednc

一个有趣的区别是,锂离子电池技术的演进主要是由电芯的不同化学配方所推动。根据学者K. Devaki的演讲数据,如图3所示,橙色的部分代表不同的锂离子电池技术,正在部署与开发中的锂离子电池技术有非常多的种类。Fk0ednc

EDN-Commnets-F3-201910.jpgFk0ednc
图3:电池的能量密度在持续增加,但每种技术需要新的化学配方。(图片来源:K. Devaki)Fk0ednc

与半导体产业不同,电池产业所面临的问题是需要部署不同的技术而实现相对适度的收益。每一种技术都需要长时间的研发才能实现商业化。Fk0ednc

举例来说,磷酸锂铁(LFP)电池在1996年就已经开发,当时美国德州大学发现以磷酸盐制作阴极,能实现较高的额定电流与较长的电池寿命,但直到最近十年内这项技术才得到商业化部署。Fk0ednc

然而,电池技术正持续实现更高的重量能量密度和体积能量密度,其中有一些改善是以一种单独的化学配方而线性实现,还有一些是通过新的化学配方而跳跃式实现。而锂离子电池技术的下一次突破,有可能是以锂硫电池和锂空气电池为基础。Fk0ednc

如同摩尔定律,这种发展趋势就算一年有5~8%的增长,但也是有实际限制的。我们也很难让一种材料取得每原子超过1电子伏特(eV)的更多能量——粗略计算可达到850Wh/kg。听起来好像不错,但这也只比图3所示的锂钴电池技术的密度高五分之一而已。在现阶段,这只能说是慢动作版本的摩尔定律。Fk0ednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Do lithium-ion batteries follow Moore’s Law?。)Fk0ednc

本文为《电子技术设计》2019年10月刊杂志文章。Fk0ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Larry Desjardin
Larry Desjardin是Modular Methods LLC公司总裁,这是一家专注于快速增长的模块化仪器行业的咨询公司。Larry 曾任职于惠普(现为Agilent Technologies),担任多个研发和执行管理职位。作为研发经理,Larry 获得了John Fluke Sr. Memorial Award,以表彰他对VXI总线的创建所做的贡献。在2011年退休前,他担任了安捷伦模块化产品运营的总经理。Larry 拥有加州理工学院的工程学士学位和斯坦福大学的电气工程硕士学位。Larry 还为“测试与测量世界(Test and Measurement World)”写了一列“他山之石”专栏。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
您可能感兴趣的文章
  • 对比不同化学配比不同SOC材料/电芯的热稳定性 三元NCM电池的电芯层级安全性也取决于其脱锂程度(即SOC)——业内大家都知道,高SOC下电芯会更不稳定,而过充滥用更是导致许多电池安全事故的直接原因。所以NCM的化学配比和SOC这两个变量会如何同时作用来影响NCM电芯的安全性呢?这就是本文要研究的点。
  • 比亚迪刀片电池技术真的能与三元电池相抗衡吗? 其基于刀片电池+磷酸铁锂化学体系能达到的电芯级与电池包级的能量密度,以及其与目前典型的三元电池包的对比。不难看出,基于刀片电池技术,磷酸铁锂电池系统完全可以在能量密度上与现在市面上主流的三元电池相匹敌……
  • 拆解2020款11英寸iPad Pro:不仅没多少创新,电池还缩了水 昨日(3月25日),EverythingApplePr在 YouTube 上发布的针对 2020 款 11 英寸 iPad Pro 的初步拆解视频,视频中指出:与 2018 款相比,苹果并未在内部组件和设计上引入多少创新。EverythingApplePro 甚至发现,2020 款 iPad Pro 采用了两块总计 7540 Wh 的电池,较 2018 款的 7812 Wh 还略有缩水。
  • 最便宜的高端手机Redmi K30 Pro来了,卢伟冰放言超越荣 昨日,小米旗下Redmi品牌通过线上发布的方式正式推出了5G旗舰手机Redmi K30 Pro。卢伟冰放出豪言:“2019年Redmi品牌完成了友商荣耀品牌的追赶,Redmi K30系列将会是拐点之战。2020年,Redmi将全面超越荣耀。”
  • 售价1400 美元的三星Galaxy S20 Ultra内部设计合理吗? 日前,知名 YouTube 视频博主 JerryRigEverything,也对这一部智能机可能引发的使用寿命和安全性等问题发表了看法。
  • 研究人员开发出新型超高容量锂硫电池 莫纳什大学(Monash University)的研究人员研发出一种新型锂硫电池,其容量是锂离子电池的5倍,对环境影响更小。这种采用锂和硫(Li-S)的电池能够在200多次充放电中保持99%的效率,这项技术可能改变未来手机、汽车、计算机和太阳能网络的生产方式。
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告