安全第一

302019年XNUMX月

无论是与股市,总统选举还是气候有关,2020月都是可以预测来年和未来十年的月份。 那么,对于即将到来的2030-XNUMX十年,我们应该期待什么电池趋势?

1.锂离子电池将为更多应用提供动力—一切都带电: 2019年诺贝尔化学奖重点介绍了锂离子电池在过去四十年中取得的进步。 从1970年代的实验室实验来看,它们现在在消费类设备中无处不在。 他们越来越多地涉足运输和电网存储应用。

毫无疑问,2020年是从电动汽车到公共汽车和卡车的运输电气化的十年。 电动汽车(EV)的数量从2015年的约75种跃升至2020年的1种以上,其中包括跑车,轿车,SUV和轻型卡车。 汽车公司及其供应链正在无休止地转型。 这将不是一个容易的转变—将有赢家和输家。 在未来几年内将不适应的汽车制造商和一级供应商可能会变得无关紧要。 运输技术工人的性质也在发生变化。 工会正在引起注意,但新的劳动力需要大量培训。

电力部门将在其电网上实施更多的储能项目,这在一定程度上是受到法规以及清洁能源电网的普及以及分布式风能和太阳能发电的推动。

历史上较小的单位体积的工业应用将受益于锂离子电池扩散的增加​​。 随着社区寻求更清洁的空气,我们将看到当地法规禁止使用任何以化石燃料为动力的东西,从铲车到割草机。

2.电池将提供更好的性能,但具有最佳的折衷方案:

比尔·盖茨在1981年的名言“640KB对每个人来说应该足够[内存]完全提醒我们,一件好事还不够。 就像计算机以更多的计算能力和内存蓬勃发展一样,移动性将随着可用电池容量的增加而蓬勃发展。 下一代5G无线智能手机需要更多的电池容量。 电动汽车驾驶员需要更长的行驶里程(超过300英里)。 更大的电池容量意味着不断地寻求具有更高能量密度的新型材料。

公众将变得更加敏锐,并期待更好的电池保修。 更长的循环寿命(寿命),而快速充电将成为性能的标准,尤其是在运输中。

但是要花多少钱呢? 制造商将学习优化电池的容量,尺寸,循环寿命和针对目标应用或用户案例的充电时间。 车队中的电动汽车将具有与住宅通勤者不同的电池设计。 与太阳能一起使用的备用电池将更加不同。 电动汽车的购买者将学习如何根据电池做出明智的选择。 就像购买者从历史上学会了了解4缸和8缸发动机的区别一样,他们将更加了解kWh额定值之间的区别。

3.电池价格将继续下降,但增速将放缓:

锂离子电池的成本在过去十年中从每千瓦时1,100多美元下降到150年的每千瓦时2019美元。预测者预计,这一数字将在100年降至2023美元以下。在这样的水平下,电动汽车的成本将与使用内部电池的传统汽车达到同等水平内燃机(ICE)-没有政府购买者激励措施。 在规模,数量增加以及在中国占据主导地位的电池制造的推动下,标准电池日益日趋商品化。 供应链在解决电池商品化方面正变得越来越专业。 为了提高电动汽车模型的盈利能力,汽车制造商将越来越多地将传统的成本准则应用于其电池供应链,将提高的生产效率应用于对冲。 一些需要更高性能的特定应用将受益于先进材料的新发展,例如,尽管以更高的成本提供了更高的能量密度,但渗透率有限。

与中国贸易紧张的风险将继续笼罩整个电池供应链。 即使锂离子电池制造工厂在亚洲和欧洲其他地区上线,从原材料采购到最终组装,中国仍将继续主导锂离子电池供应链。 美国联邦政府和州政府将需要制定明确的政策,以解决向以电池为中心的运输系统的快速过渡,否则将面临与中国在电池技术和制造方面的贸易紧张局势升级的风险。

4.电池在现场将变得更加安全:

智能手机通常在亚洲许多地区引起轰动,这甚至不是头条新闻。 那将会改变。 那必须改变。 电池安全性的预期标准必须大幅度提高,尤其是随着可获得更大的电池容量(在电动汽车或电网中)尤其如此。 生产现场的有效检查方法和现场智能电池管理系统可以将电池安全性提高几个数量级。

然而,令人遗憾的是,不可避免的是,在整个行业投入巨资改善电池安全之前,甚至在某些政府的干预下,电池大火将成为未来的头条新闻。

5.政府将介入以规范锂离子电池的回收利用:

业界将认识到,回收锂离子电池对其未来的增长至关重要。 如果没有采取经济的回收方法,锂离子电池对环境的影响将是毁灭性的,从开采原材料到废弃电池的处置。 例如,铅酸电池是第一个。 美国1个回收的消费品,其回收率超过99%。 不幸的是,历史表明,政府将需要介入并规范锂离子电池的某些回收目标。

192019年XNUMX月

Apple的iPhone显示屏内的新菜单设置 一个警告标志 如果设备的电池未被识别为真实电池。 其他智能手机制造商正在限制用户和未经授权的维修店更换电池。

为什么它的事项: 智能手机制造商和Apple表示,他们的行为可以防止可能使用假冒电池,从而保证电池的完整性和安全性。 一些用户反对引用修理权。

用户将电池视为消耗品:

  • 从历史上看,智能手机具有外部可拆卸电池。
  • 在推出iPhone之后,所有智能手机原始设备制造商都跟随Apple,使电池不可拆卸。
  • 这种设计变化对于使智能手机变得轻薄而必不可少。
  • 电池是 复杂的组件 在精密设计的智能手机内。 与其他内部组件(如内存或显示器)非常相似,更换起来越来越困难且成本也越来越高。
  • 更换拙劣的电池会导致火灾。
  • 电池作为消耗品的历史观念已不再适用。

为什么假电池是一个真正的问题:

  • 假复制电池是主要来自中国的廉价假冒产品,由质量控制有限的制造商生产。
  • 统计数据显示,假冒电池的火灾发生率高于正宗电池。
  • 如果不使用电池智能,检测假冒电池并不容易。

为什么智能手机OEM不销售电池:

  • 更换智能手机内的电池是一项复杂的操作,可能会损坏电池。
  • 回想一下Samsung Note 7火灾与智能手机内部电池的机械尺寸相关,导致电池机械凹陷。
  • 为安全起见,智能手机制造商将用户引导至合格的维修店。

智能手机所有者可以做什么:

  • 采取措施确保您的电池比其他智能手机更耐用。 如果可以的话,避免超快速充电。 避免一夜之间充电至100%。 避免高温。
  • 如果您需要更换电池,请在授权维修店完成,电池可以追溯到值得信赖的制造来源。
082019年XNUMX月

假设您喜欢骑自行车,并且想要在不使用花哨的电脑和GPS的情况下测量速度。 你会怎么做?

高中物理到救援! 我们所需要的只是车轮的周长,然后计算车轮在我们用秒表测量的一定时间内的转数。 速度, v,计算为转数, N,乘以周长, L - 这是车轮行驶的总距离 - 除以测量的时间, T。 输入一个简单的等式:

我们用半径替换圆周, R,因为更容易测量车轮的半径:

速度方程变为:

因此,测量车轮半径,然后计算转数,并用手表计时......等瞧,你可以测量速度。

您很快意识到您有一个近似的速度,因为它没有考虑可能引入错误的其他因素,例如温度。 在炎热的一天,车轮扩大一点,使半径更长。 然后你意识到橡胶轮胎的厚度并不准确 - 它因制造商而异。 随着老化,橡胶会磨损。 它变得更薄,因此半径稍小。 你可能会认为这些是很小的影响但是如果你在比赛,他们可以在输赢之间做出改变。

那么自行车车轮与电池的相关性是什么?

科学家们了解电池内部的电化学。 他们用许多复杂的方程式来代表这门科学 - 比如菲克定律,塔菲尔方程和其他几种数学形式。 然而,这些方程仍然不足以描述现实生活中的电池。

与车轮非常相似,来自同一制造商或不同制造商的电池制造存在显着差异。 温度依赖性,老化,缺陷的存在......等。 是影响电池性能和安全性的重要额外考虑因素。

捕获这些“真实”考虑因素是使电池模型有用的原因。 “模型”是指电池的足够精确的表示,可以用来做出有意义的结论。 例如,可以使用良好的模型来预测电池的寿命终止。 它可用于识别假冒电池或在有缺陷的电池成为火灾危险之前找到它们。

开发模型需要收集数据 - 数百万次测量 - 以捕获制造变化,温度依赖性,缺陷等。 从不同制造商和整个电路板操作条件范围内收集不同类型电池的统计上有意义的数据需要很长时间。

电池模型不是静态的 - 它必须随着时间的推移而改进或者它已经过时了。 必须不断更新它,以便学习并适应更新的电池材料,更新的电池设计和制造工艺。 这个学习过程可以在测试实验室中进行,也可以在现场进行 - 换句话说,智能算法可以学习部署在智能手机或用户手中的其他设备中的电池。

拥有智能算法和有用的电池模型是一个强大的组合,可以对电池的健康和安全做出关键预测......这可以区分安全电池和火灾。

192019年XNUMX月

在2013八月的某个时候,黑客突破了 雅虎 服务器和窃取私人帐户信息,最多可达3十亿用户。 Verizon Communications以其收购价格获得了350百万美元的折扣 雅虎 在2017中,举例说明了一次网络风险遭遇的惊人成本。

风险和风险管理的概念并不新鲜。 在1688中,爱德华·劳埃德(Edward Lloyd)设立了今天的伦敦劳埃德(Lloyd's of London),以遏制新的和不断增长的海洋跨大西洋贸易的新风险。 从那时起,商业界一直在努力遏制从食品到互联网等各种风险。

实际上,几乎所有事情。 仍未充分解决的一个现代风险是电池安全性,特别是无处不在的锂离子电池的安全性。 公平地说,业界很久以前就已经认识到锂离子电池的安全隐患。 2000早期的电池火灾导致昂贵的召回事件。 但他们在很大程度上被视为一次性事件。 这些是每年电池数量达数亿的时候。 这些火灾并未被视为持续存在的风险。 他们被视为制造业的失败,可以通过改进工厂或设计来消除。

今天的电池出货量已飙升至数十亿单位并且还在增加。 即使电池点火的几率微不足道,当乘以大量电池时也会成为一个真正的问题。 电池故障是一种需要控制的持续风险。

估计电池火灾的风险在几百万分之几(或ppm)的范围内。 一个ppm意味着每运送一百万个单位,就有可能其中一个会着火。 这并不意味着一个*会着火。 从统计上讲,这只意味着发生火灾的可能性是百万分之一。 现在这似乎是一个小数字。 你可能会说出一种珍贵的爱,他们是“百万分之一”。在一个每年运送20亿部智能手机的行业中,这意味着每年会发生数千次电池火灾! 不能接受的! 我们需要将这个数字降低100或1,000。

爱德华劳埃德的业务是可能的,因为它在17世纪早期由Blaise Pascal和Pierre de Fermat开创的概率数学进步中有其基础。 同样,它可以大大改善电池安全性,因为它利用了过去50年的计算进展。

每部智能手机都是奇迹装置。 它包含的处理器比将Apollo 11登陆月球的计算机强大得多。 它还包含精密的电子设备,可以测量微小的电压和电流,反过来,它可以很好地说明电池内部的化学反应。 将它与智能软件融为一体,我们现在可以预测未来电池的健康状况。

但为什么我们不能制造永不着火的完美电池呢? 简单地说,它非常昂贵。 考虑一下:几乎每个拥有智能手机的人都是业余摄影师。 尽管他们的相机镜头光学不足,但软件允许他们拍摄令人难以置信的照片。

电池也是如此。 大批量制造电池意味着一些电池会有缺陷。 在大规模电池制造方面,这只是质量和成本之间的平衡。 为了使事情更具挑战性,每个人都会以不可预测的方式使用或滥用电池。 捕获和屏蔽这些坏电池变得至关重要 在该领域 在他们成为危险之前。 当然,这并不意味着取代良好的制造规范,而是在我们寻求将电池火灾减少到零的过程中补充它们。

那么它是怎样工作的? 我过去谈过这件事 电化学阻抗谱 (EIS)。 它是世界各地电池实验室的主力测试仪器。 它能够测量电池内部发生的化学过程。 现在想象一下,如果你的设备中有这么类似的工具。 凭借一些专业知识,您现在可以开始就电池做出明智的决定。 这不是一个新概念; 例如,类似的概念允许葡萄糖测量装置挽救数百万糖尿病患者的生命。

现在是我们认真对待电池健康和安全的时候了。 让我们在升级之前解决这个风险。 设备功能和电池威胁之间的差距只会越来越大 - 让我们变得聪明并在潜在事件发生之前管理它们。

152019年XNUMX月

每个人都对5G感到兴奋。 并有充分的理由。 我们在4G LTE智能手机上所能做的所有伟大事情将在5G时代成倍增长。 我们将能够在眨眼间发送和接收大量文本和图像文件。 整部电影将在几秒钟内下载。 简而言之,5G将使我们的智能手机作为商业生产力工具和娱乐平台更加有用。 我不了解你,但我等不及了。

只有一件事。 没有电池供电,5G的出色体验是不可能的。

不幸的是,电池是智能手机时代的主要障碍。 爆炸和火灾虽然罕见,但却是一个严重的问题。 一次这样的事故太多了。

有点历史:在1991上进行商业化推广,锂离子电池比上一代技术(如镍镉和镍氢)有了巨大的进步,它们使4G LTE时代成为可能。 但在5G时代,锂离子电池有可能成为5G技术链中最薄弱的环节。

这场迫在眉睫的灾难并不是秘密。 我所说的智能手机制造商和网络运营商都在关注5G以及对手机的需求。 他们知道必须要做的事情。 但是什么?

研究人员正在日夜工作,提出突破性的电池技术,如固态电池或使用纳米材料的电池。 但电池突破通常需要十年或更长时间,投资数十亿美元。 在这些下一代电池准备大批量部署之前,还有许多工作要做。 实际上,我们需要接受5G将在配备锂离子电池的智能手机上曙光的事实。 唯一明智的做法是让这些电池像新时代一样准备就绪。

简而言之,问题在于:每个电池都有一个阴极和一个阳极,称为电解质。 在充电期间,离子通过电解质从阴极移动到阳极。 在锂离子电池中,在重复的充电循环中,在阳极上可能形成称为枝晶的微小树状生长物。 这些枝晶可以长得很大,最终会通过,触及阴极并导致电气短路,可能导致爆炸或火灾。 由电池施加压力的因素(例如快速充电或过度充电)会加速枝晶的形成。 这些应力造成的损害随着时间的推移而累积。

由于以下几个因素,5G将以前所未有的方式对电池施加压力:

  • 5G的高频段需要更多功率。 5G包含3 GHz至6 GHz及24 GHz以上的新频段。 功耗随频率线性增加,因此从900 MHz到6 GHz,会导致5x在其他条件相同的情况下增加功率需求。
  • 数据流量将大幅增加。 尽管5G效率很高,但吞吐率会更高,显示效果也会更高。 更多比特将以超过每秒1 Gbit的速率进行流式传输,需要额外的功率。
  • 5G应用程序需要低延迟,大约一毫秒。 例如,在较大屏幕上流式传输视频将大大减少处理器和电池的空闲时间。 这意味着更大的功耗。
  • 5G将需要在整个景观中更密集地放置天线,并且在运营商添加更多天线之前,手机和电池必须更加努力。

总的来说,网络运营商估计电力需求的25%增加到50%。

准备

但是,如果实施智能电池管理软件,则有希望。 第一步是减轻电池的压力; 第二是监控电池健康状况,以便在出现问题之前发现危险。 这些双重任务原则上很简单,但在实践中具有挑战性。

为了测量工作中的化学过程,可以利用为电池充电的电流作为一种信使。 通过应用类似于声纳的原理,可以从电流回波中检索关于电池内化学反应的信息。 基于该信息,可以调整反应以使它们更好地执行。 这些相同的信号还传递关于正在发展的任何问题的信息,例如产生电短路的树枝状结构。

通过减少电池压力和监控电池健康状况,将电池寿命延长一倍是合理的预期。 大多数手机电池的额定500充电周期,但可以增加到1000。 电池寿命并不是唯一可以改进的东西。 随着电池的充电和充电,它的尺寸会增大,体积增加可能达到10%。 智能电池管理可将肿胀减少一半。

简而言之,智能电池管理是所有智能手机必备的产品。 没有其他方法可以更好地确保电池的健康和安全。 当我们等待5G的到来时,当智能电池管理在这里时,没有必要绝望或对电池化学技术的缓慢进展感到不耐烦。