化学

092019年XNUMX月

当我读到John Goodenough,Stanley Wittingham和Akira Yoshino因“开发锂离子电池”而获得2019诺贝尔化学奖时,我感到非常高兴。

Wittingham最初在电池方面的工作可以追溯到1970 在埃克森美孚期间。 Goodenough在牛津大学关于LCO阴极的开创性工作是 出版 在1980中。 吉野对石墨阳极的贡献来自日本旭化成的1980。 索尼将他们的想法转化为1991中的第一个商用锂离子电池产品。

礼貌:瑞典皇家科学院

因此,现在正是这些科学家因其贡献和发起储能革命而获得认可的时候了。 该奖项是对过去几十年来为使锂离子电池在我们的生活中无处不在而勤奋工作的数千名科学家和工程师所做的贡献的启示。 试想一下,没有锂离子电池的现代数字生活,iPhone或Tesla车辆。 你根本做不到!

凭借今天的诺贝尔奖,锂离子电池加入了晶体管或聚合酶链反应(PCR)等伟大发明的行列。 1951中硅晶体管的发明成为催生现代硅谷的催化剂。 Kari Mullis在1983中对PCR技术的发现推动了生物化学和药物发现领域的广阔发展。

自从索尼制造出第一款锂离子电池以来,已经过去了近30年。 在这三十年中,锂离子电池已从为早期型号的便携式摄录机供电到转变运输方式。 尽管如此,该行业仍处于起步阶段,尚需克服许多挑战,并有许多发现需要进行。

随着电动汽车在未来几年的加速使用,锂离子电池在我们的经济中起着举足轻重的作用,其作用不亚于20世纪初期的内燃机。 电池性能,安全性,制造,成本,与复杂电子系统集成的挑战都必须解决……挑战也意味着创新的机会,以及科学家和工程师做出持久贡献的机会。

在这个时代,“技术”(尤其是在旧金山湾区)的含义已成为创建新小工具或新商业模式的代名词,我们不应忽视 科学 仍然是动力的引擎 示意图.

172019年XNUMX月

福特汽车公司能源存储高级经理Ted Miller最近表示: 没有固态技术,我们看不到另一种方法。“声明涉及更强大的电动汽车电池。 米勒先生继续澄清:“我现在无法预测的是谁将把它商业化

什么是固态电池?为什么商业化如此困难?

首先,让我们澄清一些误解。

被称为LiPo的聚合物电池是锂离子电池。

圆柱形电池,如18650电池(在早期的特斯拉型号中使用)也是锂离子电池。

棱柱形电池也是带有硬壳的锂离子电池。

固态电池也是如此。 它涉及更新的制造工艺,但它是锂离子电池。

所有这些锂离子电池的差异都有一个共同的物理原理:锂离子有助于储存电能。

简单地说,锂离子电池在锂离子之间来回移动 两个电气层:阳极和阴极。 当离子位于阴极时,电池放电。 当它们移动到阳极时,电池就会充电。 阴极和阳极称为电极。

这两个电极之间的离子的运动由称为的中间介质促进 电解质。 它是一种导电解决方案:它允许离子以很小的阻力穿过它。 一个关键属性被称为 电导率:它是离子通过电解质的容易程度的科学量度。 高电导率意味着离子可以轻松快速地传播。 低意味着相反。

在锂离子电池中,将两个电极浸入电解质溶液中。 今天的电池使用液体或凝胶状电解质。 电池制造商竭尽全力为其电池配制独特的电解质。 配方确实会影响许多电池的规格,特别是循环寿命(电池可以充电和放电的次数)。

在固态电池中,液体或凝胶电解质消失。 而是由夹在两个电极之间的“固态”层代替。 “固态”是指该层不是液体,而是物理固体。 该材料可以由陶瓷,玻璃或甚至塑料状聚合物,或这三种材料的某种混合物组成。

那么为什么要使用固体电解质? 有两个主要原因。 首先,具有固体电解质的电池比具有液体电解质的电池占用更少的空间。 这意味着可以在相同的体积中包装更多的能量。 所以, 能量密度 - 一个重要的电池指标 - 上升。

第二个原因是安全。 液体或凝胶电解质比固体电解质更容易着火。

传统上,固体电解质的主要挑战是导电性差,特别是在室温下(25°C或77°F)。 液体或凝胶电解质的导电率比固体电解质的导电率高约1,000倍。 换句话说,固体电解质对锂离子流动具有高得多的抗性。 这导致了若干性能挑战,从较差的循环寿命和无法以快速充电开始。

一些公司提出在高温(> 80°C)下操作固态电池以提高导电性。 但是在大多数使用场景下这是不实际的。

因此,对固体电解质材料的追求仍然是一个非常活跃的探索和发现领域。 对行业有信心会发现更好的材料,然而,我们真的无法预测什么时候会有广泛采用的突破。

另一个具有挑战性的方面是固体电解质的表面稳定性和可制造性。 与液体溶液不同,玻璃和陶瓷电解质不可变形。 它们必须使用高外部压力与两个电极组装,相当于约1,000气氛。 现有的电池制造工厂是否可以为此目的进行重组是值得怀疑的。 如果不是这样,固态电池的经济性无疑将受到影响,就像目前的情况一样。

简而言之,突破性的材料创新有很大的前景,使固态电池成为现实。 然而,仍然存在许多挑战。 我个人不希望在未来几年内看到商业规模的固态电池。 随着价格的持续下降,我们将继续看到传统锂离子电池的演进进展。

但在所有情况下,固态电池都遵循与传统锂离子电池相同的物理原理。 因此,为传统锂离子电池开发的许多电池管理解决方案将不断发展并继续应用。 这是个好消息。

162017年XNUMX月

学校本周开始为我们大多数人所以现在是时候恢复这些职位了。 今天的帖子继续深入了解锂离子电池的微妙之处。 令人惊讶的是,只有两个触点的简单设备可以如此有趣和复杂。

随着夏季即将结束,一些智能手机制造商准备推出最新最好的设备。 三星在8 8月宣布他们的Note 23。 LG将在一周后宣布其旗舰产品V30。 我们并没有忘记苹果公司在9月准备了他们最新的iPhone。

所有这些新设备都将配备惊人的美观和大型显示器,顶级处理器,当然还有电池供电。 消费者的预期价格超过700,他们将智能手机保存了两年甚至三年。 他们的电池会持续那么久吗?

我们将在这里检查一个影响电池寿命的参数......并为您提供一些有关如何使电池保持新鲜时间超过平均水平的花絮。 今天的帖子是关于电压的。 电压是充电状态(SOC)的替代性质。 这是非常的操作原则 燃油表 - 如何在屏幕顶部阅读剩余电池寿命的百分比。

当我说电压时,我的意思是电池将看到的最大电压。 它还以mAh为单位确定最大可用容量。 看着 标签 电池充电时,您将观察充电过程中的最大电压和电池的最大容量。 大多数最先进的电池在4.35 V或4.4 V附近的最大电压下工作。这也是与100%电池读数相对应的电压。

如果您选择将智能手机充电到较小的百分比,比如说仅为90%,则电池电压会停在较低的值。 对于额定为4.35 V的电池,100%对应于4.35 V.在95%处,电压为4.30 V.在90%处,电压为4.25 V.这些是电压值的微小差异,但容量存在显着差异。

让我们举一个具有3,100 V最大容量为4.35 mAh的电池的特例。因此,在4.25 V,最大可用容量略高于2,800 mAh。

你现在想知道: 为什么有人想这样做?

答案是:电池寿命长。 如果你没有最好的电池,或者你的智能手机制造商没有在你的设备上提供最好的电池管理智能,那么你应该非常担心你的电池是否会持续超过一年。 6月或一年后的电池问题是保修退货的重要原因。

让我们用一些测量数据来支持它。

下图显示了在3,100 V下额定为4.35 mAh的电池的最大可用容量。在此电压下,此电池仅持续约400周期,或大约一年。 在此之前,你会抱怨失去使用。 棕色线显示您的电池在250个月后丢失了6 mAh的容量......这是关于2小时的使用时间。 哎哟!

现在,让我们来看看智能手机只收取95%的费用。 这是3,000 mAh的最大可用容量,而不是3,100 mAh。 现在按照图表中的深绿色曲线。 它以比棕色线慢得多的速度消失。 实际上,它在大约300周期或大约10个月的时间跨越棕色线。 换句话说,在10月之后,它提供了更多的容量。 这说明了电压和寿命之间的权衡。

一个智能手机制造商已经开始使用电池的先进智能(如Qnovo's),不会患上这种疾病。 但是如果你怀疑你的设备没有这样的智能,那么你可以通过将电池充电到最大95%甚至更低来自己做一件大事。

222016年XNUMX月

高通公司 本周宣布 他们的4th代Quick Charge™技术将在其即将推出的Snapdragon 835芯片组中推出。 Quick Charge™4继续致力于将快速充电作为现代智能手机和消费设备不可或缺的一部分。 在最新一代产品中,高通公司增加了许多关键功能,特别是从墙壁插座向设备供电的效率更高,更快的充电功率和更好的散热管理。 我赞赏高通公司QC技术的不断发展。

随着快速充电成为移动领域中的根深蒂固的技术,快速充电期间对电池安全本身的重视开始变得优先。 正如我在此强调的那样 之前的帖子,快速充电不正确会对电池造成不可挽回的损坏,导致容量损失(mAh)或更糟糕的是电池安全问题。 将快速充电与高能量密度电池相结合,特别是在4.4V上运行的新一代产品,是一个配方 潜在的灾难。 这篇文章讲述了当我们将快速充电与高能量密度电池混合时会出现什么问题,但忽略了实施必要的充电智能和电池周围的必要控制。

首先,让我澄清一些事情。

  • 快速充电 包括给电池充电的领域 价格接近或高于1C 。 在1C,电池在0分钟内从空(50到30%)充电到半满。 QC 4.0能够达到该速率的两倍,即2C。 那非常快。
  • 高能量密度电池是能量密度超过600 Wh / l的电池,最近的电池处于或接近700 Wh / l。 这些电池的最新一代几乎普遍在4.4V上运行。 这个 之前的帖子 解释了在此电压下运行的风险和危险。
  • 我想澄清的最后一点是共同的收费方式,即 CCCV 一步充电 不要在充电时提供任何智能或控制。 他们是 开环 没有机制来测量电池的状态或健康状况的方法,以便进行适当的调整,并避免我将在下面强调的风险。

快速充电和高能电池的混合使得情况非常不稳定。 这让我想起了屏幕底部带有精细打印警告的精美汽车广告:“关闭课程的专业司机。 不要试“快速充电的高能电池正在迅速接近警戒警告的范围。 忽视这些建议的后果可能是特别严重的,因为智能手机的火灾在我们的集体记忆中是新的。

那么什么可能出错?

首先,锂金属 电镀 当人们试图快速充电4.4V电池时,这是一个巨大的风险。 当使用CCCV或步进充电充电时,我们看到来自信誉良好的电池供应商的大多数(如果不是全部)电池都镀锂。 如果没有适当的电池智能,这是一个严重的问题。 如果不加以控制,锂金属电镀会导致安全隐患和潜在的火灾。 锂金属电镀更危险的原因是它不容易在智能手机内检测到它的存在。 当它在电池内部发展成潜在的电气短路时,通常为时已晚。 因此,电池管理中的智能必须避免从智能手机电池寿命开始就形成。

第二个严重危害是过量 肿胀 电池。 是的,电池在重复充电时会物理地变厚。 一旦将电池嵌入智能手机内,几乎不可能测量电池的厚度。 在没有物理接触电池的情况下巧妙估计厚度属于越来越需要的高级智能算法类别。 你可能会说:那么,让电池膨胀! 过度膨胀肯定会破坏您的显示屏。

第三个危害与电池在高温下的行为有关。 设备内部的电子设备消耗电力,导致智能手机变热。 那些在你的设备上快速充电的人会证明这一事实。 一个误解是电池本身因快速充电而变热。 这是不正确的。 由于智能手机内部的电子设备产生的热量,电池会变热。 智能手机内的这些温度可升至40°C,在某些情况下接近45°C。 这些升高的温度加速了电池内部材料的降解,特别是在升高的电压下。 这导致充电容量迅速丧失(您的mAh下降非常快)伴随着电池过度膨胀。 如果你是一个Uber司机,你的智能手机在炎热的夏天快速在你的仪表板上充电,这对你来说并不是一件好事。

这些只是使用传统充电方法与快速充电高能量密度电池相关的潜在电池安全危害的三个例子......它们中的每一个都可能导致严重的电池安全问题。 现在是注意汽车广告中警告的好时机。 如果您不是专业人士,请不要尝试。

072016年XNUMX月

对于普通读者来说,电化学阻抗谱(通常缩写为EIS)不仅仅是一口。 了解它的效用可以归结为未解决的奥秘类别。 今天的帖子将对这种强大的方法有所启发。

读者的第一个问题可能是“你为什么要在电池博客中谈论EIS?”答案很简单。 EIS是世界各地实验室中用于测量电化学过程和反应的最重要的标准工具。 电化学是化学中最广泛的分支之一,是研究与电有固有关系的化学反应,即它们既可以发电也可以受到电的影响。 是的,你猜对了,电池是电化学的一个主要例子。 电化学的另一个实际例子很好用:项链或手链上镀金。

EIS这个名字意味着什么? 电化学阻抗 科学术语是指所研究设备的电阻,在这种情况下,是指锂离子电池。 在其最元素形式中,阻抗是电压除以电流。 对于电气工程师,它代表电阻器或电容器等元件。 对于其他科学家来说,它代表了设备对电流的抵抗力。

光谱 是科学的一个分支,涉及财产如何随频率变化。 因此,EIS是一种方法和科学,旨在了解阻抗测量如何随频率变化,更具体地说,这些变化如何与潜在的化学反应密切相关。

为什么频率? 频率增加了关于正在发生的化学过程的性质的更多信息。 在科学中,频率起着非常重要的作用。 以蓝光和红光之间的区别为例。 它们都是由光子构成的,但频率不同。 医学MRI成像取决于我们体内氢原子振荡的频率。 区分无线电拨号盘上的不同广播电台的工作原理类似。 换句话说,我们使用频率来唯一地识别化学或物理过程。

通过这一长篇介绍,让我们更深入地了解与锂离子电池相关的EIS。 如果您要测量标准电阻器组件的阻抗 - 您可以在智能手机中找到的组件类型 - 您会发现无论是应用低电压还是高电压,您都将测量完全相同的阻抗值,或者是否你测量低频或高频。 换句话说,对于该电阻器组件,该值与电压(也称为偏置)和频率无关。 因此,电阻器易于理解。

这不是电池的情况。 更改电压或频率,您将获得不同的值。 换句话说,电池在某些情况下看起来像电阻器,或者在其他情况下看起来像电容器,或者两者的某些复杂组合。 当我们改变电池的电压时,它现在运行在不同的“充电状态,“换句话说,它将存储不同数量的电荷。 正如我在之前的帖子中描述的那样 燃料计,电池的端电压是存储在电池中的电荷量的直接代表,其是充电状态(或电池剩余的百分比)。

相反,改变频率涉及电池内部发生的不同电化学过程。 这种电化学过程可能涉及电荷(在这种情况下,锂离子)从一个电极到另一个电极的扩散。 可以想象离子必须行进一定距离并将自己插入“瑞士芝士“材料的基质。 如此直观地说,这感觉就像一个缓慢的过程,而且确实如此。 锂离子经过这种扩散过程需要几秒到几分钟 - 这意味着离子的扩散以低频特征为特征。 一种截然不同的电化学过程是锂离子和电子如何在电极表面相互作用。 这种相互作用涉及非常短距离的电子和离子。 直觉上,人们可以看到这可能是一个非常快速的反应,通常在微秒级。 因此其签名包含高频信号。

反应

所有这些都说明特定频率的阻抗值是我们研究所关注的潜在电化学过程的“独特特征”。 这就是使EIS成为如此强大工具的原因。 对于训练有素的科学家,他或她可以将EIS测量结果作为电池内部各种电化学过程和反应的图谱,而不会将其切开或损坏。 它还提供了对电池内部出现问题的深刻见解。 并非所有电化学过程都是理想的 例如,导致的基础过程 锂金属电镀 非常不受欢迎,可以使用其独特的EIS签名轻松测量。

那么测量是如何进行的呢? 在实验室中,经常使用昂贵且体积庞大的仪器以明确定义的频率向电池施加小电流,然后测量电压。 将电压除以电流,您现在可以获得此频率的阻抗。 例如,以1 Hz的频率应用100 mA电流,您可以测量0.5 mV。 因此,0.5 Hz处的阻抗为1mV / 0.5mA = 100欧姆。 当然,这并未考虑阻抗的复杂值,但它是该概念的简单说明。 “复杂”数字是显示具有实部和虚部的值的数学工具。 如果您不完全理解它们,请不要担心 - 关键是阻抗测量有两个值来表示它。

这里

完整的EIS图表按惯例显示阻抗的虚部(垂直轴) vs。 它的实际值(横轴)。 图表的最左侧显示了在高频下进行的测量,特别是突出显示了电池内部金属导体中发生的情况以及电极表面发生的情况。 当我们跟随紫色点并向右移动时,标记的频率逐渐降低,突出显示现在不同的电化学过程集,特别是在电极和电解质之间的绝缘界面处发生的情况(也称为SEI层)。 最终,在图表的最右侧,频率很低,并且是锂离子扩散效应所特有的。

世界各地的每个电化学实验室都有一个EIS工具。 这个学科的年轻毕业生花了无数个小时来操作这个工具。 它不是一个小工具......它适合放在桌子上,重达几磅,花费数千美元。 现在想象一下,如果EIS工具能够以某种方式适合每个智能手机,那么这个世界会是怎样的!