《電子土撥鼠》第1期：后鋰電時(shí)代，越來(lái)越玩“固”
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言歸正傳，以下開(kāi)始我們《電子土撥鼠系列百科》第1期的內(nèi)容——
“只用固體材料即可實(shí)現(xiàn)電池功能的認(rèn)識(shí)，終于被人們普遍接受了?！边@是三年前，日本東京工業(yè)大學(xué)物質(zhì)電子化學(xué)專業(yè)的菅野了次教授發(fā)出的感慨。
2013年發(fā)布的一份報(bào)告稱：2020年，固態(tài)電池技術(shù)有望取得突破性進(jìn)展，在成本、能量密度和生產(chǎn)過(guò)程等方面將趕超鋰離子電池技術(shù)；到2030年，固態(tài)電池技術(shù)將代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰離子電池技術(shù)，成為電動(dòng)車(chē)電池領(lǐng)域的主流。也就是說(shuō)，鋰離子電池將不再是電動(dòng)汽車(chē)電池的主流了，只會(huì)在某些電子原件領(lǐng)域占有一席之地。
該報(bào)告還同時(shí)指出，電子消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域的電池研發(fā)對(duì)下一代動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步作用更大。消費(fèi)者對(duì)體積小、密度大、充電快的電池需求是最大的推力。
全固態(tài)電池
近幾年，豐田汽車(chē)公司表示出了濃厚的興趣，他們準(zhǔn)備發(fā)明出與汽油的能源密度相近的電池，并計(jì)劃在2020年用固態(tài)電池取代鋰電池，從而全面實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池的商業(yè)化。
豐田推出續(xù)航力可達(dá)1000km的固態(tài)電池
然而，對(duì)固態(tài)電池抱有強(qiáng)烈興趣的并非只有豐田一家。出光興產(chǎn)（Idemitsu Kosan）在展示會(huì)上以2012年實(shí)用化為目標(biāo)，展示了約A6大小的固態(tài)電池；日本中央電力研究所則在開(kāi)發(fā)以住宅儲(chǔ)能為目的的固態(tài)電池；電池制造廠商也 加入這股熱潮：日本三星橫濱研究院與韓國(guó)的三星電子已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種充放電周期壽命和輸出特性都接近商業(yè)水準(zhǔn)的固態(tài)電池。
固態(tài)電池，如何玩“固”？
說(shuō)到固態(tài)電池，也稱之為全固態(tài)鋰二次電池，簡(jiǎn)稱全固態(tài)鋰電池。即電池各單元，包括正負(fù)極、電解質(zhì)全部采用固態(tài)材料的鋰二次電池。全固態(tài)鋰電池在構(gòu)造上比傳統(tǒng)鋰離子電池要簡(jiǎn)單，固體電解質(zhì)除了傳導(dǎo)鋰離子，也充當(dāng)了隔膜的角色，大大簡(jiǎn)化了電池的構(gòu)建步驟。全固態(tài)鋰電池的工作原理與液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池的原理是相通的，充電時(shí)正極中的鋰離子從活性物質(zhì)的晶格中脫嵌，通過(guò)固體電解質(zhì)向負(fù)極遷移，電子通過(guò)外電路向負(fù)極遷移，兩者在負(fù)極處復(fù)合成鋰原子、合金化或嵌入到負(fù)極材料中。
全固態(tài)鋰電池的構(gòu)造結(jié)構(gòu)圖
全固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)鋰電充電電池的特性比較
傳統(tǒng)的鋰電池，最大瓶頸就是使用了有機(jī)電解液。因?yàn)樵谶^(guò)度充電或放電后，電解液很容易發(fā)熱，從而容易誘發(fā)電池自燃或爆炸。
全固態(tài)電池，脫胎于鋰離子技術(shù)，但比傳統(tǒng)鋰電池體積小、比能高且壽命長(zhǎng)。使用的固態(tài)電解質(zhì)，更為緊湊和穩(wěn)定，耐高溫且不易燃燒。
豐田研發(fā)的全固態(tài)電池模型采用了四組正負(fù)極層、固態(tài)電解質(zhì)層；電池的平均電壓是14.4V；并且能在100度的高溫環(huán)境下使用。如果電池處于穩(wěn)定狀態(tài)，固態(tài)狀的鋰的傳導(dǎo)率比液體電解液高，從理論上說(shuō)擁有更高效的功率輸出。
電池系統(tǒng)一直以來(lái)都是電動(dòng)車(chē)上最昂貴的配置，售價(jià)可以高達(dá)1萬(wàn)美元。因?yàn)閭鹘y(tǒng)鋰離子充電電池組除了蓄電池之外，還需要裝配冷卻設(shè)備和一些配套材料，這會(huì)使電池組變得更笨重和昂貴。而全固態(tài)電池的量產(chǎn)，將很好的解決純電動(dòng)車(chē)成本高、電池體積大等難題。
后鋰世家，后生可畏
其實(shí)，在固態(tài)電池的大家族中，還有很多種類。他們?cè)诟髯缘膽?yīng)用中，都發(fā)揮著不俗的表現(xiàn)：
半固態(tài)電池是一種新型半固態(tài)液流電池，能讓電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程加倍，成本卻僅為現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)電池的1/3。
這款名為“劍橋原油”的半固態(tài)液流電池，來(lái)自麻省理工學(xué)院蔣業(yè)明教授的團(tuán)隊(duì)研制。它的電極為細(xì)小的鋰化合物粒子與液體電解液混合形成的泥漿，電池使用兩束正負(fù)帶電泥漿流。兩束泥漿都通過(guò)集電器之間的透水膜賴交換鋰離子。蔣業(yè)明表示，這款鋰“半固體”流體電池每單位體積傳遞的電力是傳統(tǒng)電池的10倍，不僅減少了電池內(nèi)的“無(wú)效材料”，而且提高了電池的能效。
美德雷克塞爾納米研究所所長(zhǎng)尤里·伽戈崔稱贊：“這可能是過(guò)去幾十年電池領(lǐng)域最令人興奮的研發(fā)?！?BR>
去年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一種全新的全固態(tài)鋰硫電池，其能量密度約為鋰離子電池的4倍，且成本更低廉。
首先，他們合成出了一種富含硫的新物質(zhì)，并將其作為電池陰極。然后，再將其同由鋰制成的陽(yáng)極以及固體電解質(zhì)結(jié)合在一起，最后制造出了這種高能量密度全固態(tài)電池。因?yàn)殇嚵螂姵財(cái)y帶的電壓為鋰離子電池的一半，平均電容為其8倍，所以，新電池的能量密度約為傳統(tǒng)鋰離子電池的4倍。
測(cè)試結(jié)果表明，新電池在60攝氏度以及300次充放電后，電容還可以維持在1200毫安小時(shí)/克，約為傳統(tǒng)鋰離子電池的8倍。
目前，盡管新電池仍然處于演示階段，研究人員希望盡快推向商業(yè)應(yīng)用，他們正在為此技術(shù)申請(qǐng)專利。
全固態(tài)鋰硫電池
那么，能量密度最高的“終極”電池是否存在呢？答案也許就在這里。
鋰空氣電池因其用金屬鋰作陽(yáng)極、用大氣中的氧氣作為陰極，而在單位質(zhì)量及體積的能量密度上得到飛躍性提升，所以被作為終極電池（ultimate battery）在研究。他是由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與日本學(xué)術(shù)振興會(huì)共同開(kāi)發(fā)出的一種新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池。
鋰空氣電池的設(shè)計(jì)構(gòu)思是：只在金屬鋰的負(fù)極使用有機(jī)電解液，正極的空氣級(jí)使用水性電解液。這樣，既可以用作充電電池，也可用作燃料電池使用。所以，它又可以成為“金屬鋰燃料電池”。而且，用過(guò)的水性電解液中還可以提取出金屬鋰，鋰空氣電池就可以輕松的重復(fù)使用了。
科學(xué)家認(rèn)為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以提供與汽油同等的能量。所以，該技術(shù)極其有望用于汽車(chē)電池。在電力耗盡時(shí)，只需更換正極的水性電解液和負(fù)極的金屬鋰，就可實(shí)現(xiàn)連續(xù)行駛且無(wú)需充電等待時(shí)間。
目前，鋰空氣電池仍在開(kāi)發(fā)中，要想實(shí)現(xiàn)商用，可能還需要10年的時(shí)間。
最前沿：你在哪“鋰”？
來(lái)自臺(tái)灣的輝能科技公司，打破了過(guò)去的鋰電池技術(shù)，采用FPC 軟性電路板和固態(tài)電解質(zhì)，自主研發(fā)出超薄柔性電池FLCB，厚度僅有0.33mm，可以像紙一樣任意被裁減。但和普通紙張?zhí)匦圆煌氖?，F(xiàn)LCB可以耐受1300 攝氏度的高溫，并且保證在穿刺、撕裂、撞擊、甚至槍擊等情況下不會(huì)漏液。在容量方面，一塊182*230*0.4mm標(biāo)準(zhǔn)的FLCB容量為 1000-1400mAh。FLCB非常適合用于可穿戴式設(shè)備上。
臺(tái)灣輝能科技在IDF 2013上展出可彎曲超輕薄高效能固態(tài)電池
2013年10月，三星SDI公司發(fā)布了全固態(tài)電池和多種形態(tài)的彎曲電池。由于內(nèi)部沒(méi)有保護(hù)液體和膠狀物的隔離層，這種電池可以做得很薄?？梢员ＷC在被洞穿等外部沖擊下，電池也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
如果使用該產(chǎn)品，可以制造可彎曲、可卷起、可以像紙一樣折疊的可穿戴式智能機(jī)器。SDI計(jì)劃在2015年開(kāi)發(fā)出在性能方面達(dá)到鋰電池水平的全固態(tài)電池。
2013年底，Cymbet公司推出了世界首款可充電固態(tài)電池芯片EnerChip。
與目前作為后備電源或者能量捕獲存儲(chǔ)的傳統(tǒng)紐扣電池和超級(jí)電容器相比，Cymbet EnerChip電池具有許多獨(dú)特的功能：覆蓋系統(tǒng)產(chǎn)品的整個(gè)生命、超薄性、生態(tài)友好、無(wú)細(xì)胞毒性、優(yōu)異的電學(xué)性能、與集成電路兼容以及高性價(jià)比。EnerChip可以封裝為適用于表面貼裝技術(shù)（SMT）的元件，所以EnerChip能夠在小的外形中提供能量存儲(chǔ)，并且?guī)?lái)了以前使用諸如鋰離子紐扣電池或者超級(jí)電容器這些傳統(tǒng)解決方案而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的便利，非常適合于那些需要電池后備電源的應(yīng)用
Enerchip可充電固態(tài)電池產(chǎn)品采用晶圓的切割工藝實(shí)現(xiàn)
思科、惠普、IBM和許多其他組織預(yù)計(jì)：到2020年，全球?qū)碛?00億到3000億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。而EnerChip解決方案可以為物聯(lián)網(wǎng)傳感器和可穿戴式技術(shù)提供電源。
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