广告

会有锂电池技术的摩尔定律吗?

2019-10-01 Larry Desjardin 阅读:
会有锂电池技术的摩尔定律吗?
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%。007ednc

EDN-Commnets-F1-201910.jpg007ednc
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)007ednc

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。007ednc

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)。007ednc

EDN-Commnets-F2-201910.jpg007ednc
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 Energy007ednc

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?007ednc

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?007ednc

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。007ednc

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。”007ednc

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。007ednc

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。007ednc

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。007ednc

EDN-Commnets-F3-201910.jpg007ednc
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)007ednc

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。007ednc

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。007ednc

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。007ednc

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。007ednc

(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?。)007ednc

本文为《电子技术设计》2019年10月刊杂志文章。007ednc

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”
  • 如何在嘈杂的环境中改善EV/HEV电池的健康状况 电动汽车/混合动力汽车中的噪声源具有不同频率和不同振幅,这使得如何更好地对其进行过滤成为了一个难题,从而不影响对电池电压、温度和电池组电流的测量。测量误差可能导致各种后果,包括错误报告电池充电状态、可能的过度充电和过度电池放电,这都可能会影响驾驶员、乘客和车辆的安全。
  • 创建高性价比的多功能锂离子电池测试解决方案 鉴于对锂离子电池的需求越来越多样化,因此我们迫切需要高性能、灵活的测试解决方案,从而最大限度地权衡利弊并实现成本效益。
  • 电源领域新宠:WBG组件 持续成长的功率半导体组件需求正推动WBG组件市场的成长,各家业者持续投资SiC与GaN材料与晶圆片的开发与量产。而WBG市场将往什么方向发展?谁在其中扮演要角?这些业者又如何克服数十年来WBG组件面临之高成本、低产量以及有限的供应链等挑战?
  • 特斯拉要用国产电池,磷酸铁锂为什么变“香”了? 根据工信部最新发布的新能源汽车推广应用推荐车型目录(2020 年第 7 批),特斯拉(上海)有限公司特斯拉 Model3 标准续航版在列,储能装置种类为磷酸铁锂电池。不管在电池行业或新能源汽车行业中,都是一件非常有趣的事。为什么磷酸铁锂重新受到重视了?
  • 苹果AirPods又爆炸了,可穿戴设备还有哪些安全隐患? 近日一位郑州的AirPods用户,在佩戴苹果AirPods拨打电话的时候,右边耳机突然爆炸,而用户本人也是当场被炸晕。事实上这已经不是AirPods第一次出事儿了……
  • 8分钟充电至85%,进入量产测试的广汽新能源石墨烯电池靠 日前,广汽新能源公众号发布了一篇题为《石墨烯技术正在走出实验室,广汽新能源率先搭载量产测试》的文章,在网上引起了热议。 不少网友对其8分钟充电至85%的真实性提出质疑,更有网友认为这是新一轮的石墨烯技术炒作。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了