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电池的发展已到达瓶颈?它能像半导体那样不断突破吗?

2024-03-22 16:41:53 Bill Schweber 阅读:
电池发展的历史跨越数百年,有许多半独立的分支和路径,我们是否正在接近电池化学和改进所能达到的极限?

我们已经习惯了电池性能和技术的不断进步,特别是由于20世纪80年代锂电池的发展。无论您采用何种品质因数(FOM),电池的性能都会显著提高,同时成本却在不断降低。Vknednc

电池好多少?这取决于你如何定义“更好”: 是单位重量的能量密度更高?单位体积?降低成本?可充电(二次)电池的充电/放电循环次数?当然,这取决于您的优先事项。对于电池储能系统(BESS)等固定设备来说,重量并不像对车辆甚至飞机那样重要。Vknednc

电池有多大进展?进入21世纪,我们可以从长期和中期的角度来看待这个问题。自1800年Allesandro Volta开发出我们所熟知的伏特电池以来,电池(被定义为电能的化学来源)就以某种形式出现了。使用湿铅酸技术的可充电二次电池于1860年左右问世,而可在任何位置使用并适合大众市场的干电池则出现于1900年左右(图1)。Vknednc

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图1:电池发展的历史跨越数百年,有许多半独立的分支和路径。(来源:UPS Battery Center Ltd.)Vknednc

不过,电池改进的另一个方面是它们的容量。由于使用了许多不同的化学物质,因此没有一个单一的数字可以反映出这一参数的变化,但图2和图3可以让我们对原电池和二次电池的情况有一定的了解。Vknednc

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图2:自20世纪初以来,不可充电原电池的关键FOM能量密度(瓦时/千克)有了显著的改善。(来源:能源与环境科学,来自ResearchGate)Vknednc

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图3:自20世纪初以来,可充电二次电池也取得了显著的进步。(来源:能源与环境科学,来自ResearchGate)Vknednc

虽然这些改进是显著的的——在4倍到一个数量级之间,具体取决于电池类型,但真正的突破来自于锂电池的发展,是由美国化学家John B. Goodenough等人在20世纪80年代开发的。(Goodenough、M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino因开发锂离子电池而获得2019年诺贝尔化学奖。)Vknednc

自第一批锂电池出现以来,其化学细节、包装和生产发生了许多变化,从而大大提高了电池容量(图4)。Vknednc

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图4:基于各种锂化学物质的不可充电和可充电电池的电池能量密度呈阶跃式增长。(来源:物理世界)Vknednc

每瓦特存储的成本也大幅下降(图5)。Vknednc

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图5:过去三十年来,每单位能量存储的电池价格下降了97%。(来源:Our World in Data)Vknednc

但存在一个潜在的问题:所有这些投资和研发都假定,电池可以在几年或十年内得到显著改善,而且我们可以通过投资和研究来实现这一目标。Vknednc

然而,技术进步有多种形式,有时甚至只是始于一次事故。例如,Charles Goodyear将一块涂有硫磺的橡胶扔到热风炉的表面上,高温和短时间的受热不仅改变了经过处理的橡胶表面的性质,而且改变了整个样品的性质。Vknednc

有些突破是集中努力的结果,例如,由于真空管似乎已经达到了线性改进可能性的极限,为了寻找真空管的替代品,贝尔实验室的一个团队于1948年发明了晶体管。Vknednc

其他进步则是有条不紊、持续不断地发现和克服障碍的结果。在某些方面,Gordon Moore及其同名“定律”(实际上是一个富有洞察力的假设)所预见的固态革命就属于这一类。行业在不断进步的同时,还制定了路线图,明确了节点尺寸、工艺和封装方面的里程。当然,其中也有坎坷、有障碍、有突破,但总的来说还是出乎意料地顺利。Vknednc

我认为目前电池行业的乐观情绪是半导体行业成功的结果,半导体行业的成功多少有些诱导了人们的期望,即只要有大量聪明人和投资就可以了,这在某种程度上是错误的。自1959年开发出集成电路以来,我们已经将密度和性能稳步提高了几个数量级(图6)。在这些“路线图”的支持下,我们让未来的进展看起来相对容易,而且基本上是可预测的——即使事实并非如此。Vknednc

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图6:半导体密度和性能的快速、持续增长引发了人们对其他技术进步的期望。(来源:计算机历史博物馆)Vknednc

我们是否正在接近电池化学和改进所能达到的极限?虽然会有进步,但可能只是每年几个百分点的递增,这肯定不足以满足政治家、学者和公众的期望。无论投入多少资金,都无法保证电池技术取得突破。也许我们需要一种非化学电池的创新?Vknednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EE Times,参考链接:What If Battery Progress Is Approaching Its End?,由Ricardo Xie编译。)Vknednc

责编:Ricardo
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