基础知识

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。

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。

142018年XNUMX月

杰弗里福勒在 “华盛顿邮报” 最近发表的一篇文章观察到手机电池寿命越来越差。 在研究这个话题时,我很享受与杰弗里的对话。 但为什么手机电池续航时间会变得更糟? 为什么电池无法跟上新一代智能手机的需求?

就像生活中的许多事情一样,关乎能量平衡。 我们的医生告诉我们,我们需要平衡我们的卡路里:我们吃的卡路里与运动时扩大的卡路里。 因此智能手机需要平衡电池中存储的能量与其使用时消耗的能量。 所以我把它提炼成两个关于能源需求和供应的简单问题:

  1. 为什么能源需求随着智能手机使用量的增加而增长?
  2. 为什么我们不能用更大的电池来满足智能手机日益增长的能源需求?

因此,让我们通过研究推动智能手机能耗的来源来解决第一个问题。 有三种 部分 在您的智能手机中,能量耗费:

  • 你的 屏幕......,,我相信大家都知道;
  • 你的 处理器......你们中的一些人可能也知道这一点;
  • 你的 收音机。 不是你的FM收音机! 无线电是指蜂窝连接,WiFi连接,蓝牙,GPS ......使用无线电波与外界通信的任何东西。

每个部件的能耗取决于硬件的性质以及您,用户 - 这是您在设备上花费的时间长度。

即使使用新的OLED屏幕,屏幕使用的能量也非常大。 屏幕获得了更多的像素。 每个像素消耗能量。 更多像素意味着更多能量。 每次打开屏幕时,电池都必须提供更多能量。 这很快就会增加。

如果你跟随各种聊天室,你可能知道“检测时间“,这意味着屏幕上的可用电池总时间可能大约是6小时,给予或接受 - 无论智能手机制造商宣传的全天使用或更多。

接下来是处理器。 幸运的是,这块硬件曾经是一个主要的能源需求,但是使用高通或苹果或三星的新一代处理器,它们已经变得非常高效。 多少效率? 几年前,效率比前几代高出两倍。 所有好消息,对吗? 好吧,不太好。

你看,处理器确实变得高效,但现在它们的运行频率比以往任何时候都高。 想想停在车库的SUV与用于Ubering的Honda Civic相比。 哪一个使用更多能量?

几年前,我们使用智能手机发短信和发电子邮件......现在,我们播放视频。 因此,虽然这些处理器是高效的,但它们会被视频和社交媒体征税。 净网,他们消耗更多的电池能量。 你怎么知道? 观看在您的设备上播放视频或拍摄4k电影时智能手机的热度。 那是你的处理器变热了。

我们现在谈谈无线电。 对于电池而言,这是一个日益严重的问题,像美国的AT&T和Verizon,或日本的DoCoMo等运营商都非常担心。

一方面,运营商喜欢你使用越来越多的数据......这就是他们赚钱的方式。 但数据使用意味着您的蜂窝连接已经开启,比以前更多。

但你说等待,是不是5G蜂窝连接比LTE好? 与LTE相比,将5G视为在互联网高速公路上增加更多车道。 这意味着更多的汽车,更多的汽车,将使用高速公路。 这意味着将消耗更多的能量。 电池需要提供这种能量。

FCC就是 拍卖 24 GHz和47 GHz之间的新频率范围,用于未来的5G频谱。 相比之下,LTE运行在0.5 GHz和2 GHz之间的频率。 为什么这很重要? 能源使用频率上升。 因此,通过采用新的5G频率,能耗将随之增长,从而加剧了电池的负担。 换句话说,未来将对电池征税更多!

一句话:我们的智能手机和用户行为意味着我们对更多能源的需求将继续增长。

现在我们可以解决第二个问题:为什么设备制造商不能在智能手机中放置更大的电池?

这很简单:电池容量越大意味着电池体积越大。 电池的改进非常缓慢,因此为用户提供更多电池容量的唯一方法是使设备更大或更厚。 最近的iPhone XS,XR和XS Max显示出制造能够容纳更大电池的更大型设备的明显趋势。

这对未来是否足够? 并不是的。 智能手机尺寸不能再大了。 在6 in 或者更大的屏幕尺寸,它们已经太大而无法用一只手握住。 它们可能会变得更厚但不是更多。 我们的人手确定智能手机的最佳物理形态。

什么给出了什么? 我还不知道,但最有可能的是,我们的行为和期望。 用户很可能会在一天内更频繁地为智能手机充电......也许是两次而不是一次充电。 一些用户可能对其设备中的像素较少感到满意。 其他人可能会关闭他们的Facebook和社交媒体应用程序。

无论我们如何适应智能手机的未来,电池仍将是最薄弱的环节,也是最需要创新的电池。

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!

182016年XNUMX月

最先进的锂离子电池,无论是用于智能手机还是电动车,都依赖于同样的基础 细胞结构:两个相对的电极,具有中间绝缘分隔层,锂离子在两个电极之间混洗。

充电期间的正极通常称为阴极,由多金属氧化物合金材料组成。 迄今为止,锂 - 钴 - 氧化物或LCO是消费电子应用中最常见的。 NCM是锂镍钴锰氧化物的缩写,也称为NMC,正在逐步取代储能和电动汽车应用中的其他材料。 LCO和NCM具有将锂离子储存在其材料基质中的巨大特性。 想想多孔瑞士奶酪:锂离子自身插入原子层之间。

相反,充电期间的阳极或负电极几乎普遍由碳石墨制成。 碳历史上曾经并将继续成为首选材料。 它具有很大的能力将锂离子储存在其晶体基质中,就像金属氧化物阴极一样。

那么制造商如何提高能源密度呢? 在某些方面,数学很简单。 在实践中,它变得棘手。

能量密度等于存储的总能量除以体积。 总存储能量由活性材料的量决定,即金属氧化物合金的可用量以及可物理储存锂离子的石墨(即电荷)。 因此,电池制造商采用所有类型的设计技巧来减少非活性材料的体积,例如,减小隔板和金属连接器的厚度。 当然,安全性有一定的限制。 在很大程度上,这是电池制造商过去20年所做的事情 - 相当于每年能源密度增加约5%。

但是,一旦这种额外体积的非活性材料减少到最低限度,增加的能量密度变得棘手且具有挑战性。 这是电池行业现在面临的困难之墙。 接下来是什么?

有两条潜在的前进道路:

1。 找到一种在电极内包装更多离子(即更多电荷)的方法。 这是开发能够实现这一壮举的新材料的大量研究课题。 但是,任何这样的突破距离商业部署还有几年的时间,第二种选择就是.......

2。 增加电压。 由于能量等于电荷乘以电压,增加电压也会增加能量(请记住,能量和电荷是相关的,但不可交换)。 这是今天帖子的目标。

电池行业将电压从4.2 V的最大值提高了几年,恢复到现在的4.35 V值。这有助于将4大约增加到能量密度的5%。 新一批电池现在开始在4.4 V上运行,在能量密度上增加了4%5%。 但这并非没有一些严峻的挑战。 这些是什么?

首先,有电解质。 它是一种凝胶状溶剂,可吸收电池内部。 没有更好的类比,如果离子像鱼一样,那么电解质就像水一样。 它是锂离子在两个电极之间传播的介质。 随着电压升高,它使电解质经受越来越高的电场,导致其早期降解和破坏。 因此,我们现在看到新一代电解质原则上可以承受更高的电压 - 尽管我们在实验室测试中看到,这些电解质配方中的一些导致更差的循环寿命性能。 这是电池设计人员正在努力做出妥协的第一个例子。

其次,阴极具有结构完整性。 我们以LCO为例。 如果我们更接近阴极材料(见下图),我们发现了一个由钴和氧原子组成的晶体结构。 当电池完全放电时,锂离子占据这些有序层之间的空余空间。 事实上,锂离子占钴和氧原子的比例:每一个钴和两个氧原子有一个锂离子。

LCO

礼貌的电子和结构分析可视化(VESTA)

当电池充电时,锂离子离开阴极到达阳极,从而腾出LCO阴极的有序层之间的一些空间。 但并非所有的锂离子都能离开; 如果它们中的太多离开,则阴极的晶体结构坍塌并且材料改变其性质。 这个不好。 因此,在充电期间,只有大约一半的锂离子被“允许”离开。 这个“许可”是由你猜对了电压决定的。 关于4.5 V,LCO晶体结构开始恶化,因此可以很容易地看到,在4.4 V,电池已经太靠近悬崖了。

最后,有锂 电镀。 高能量密度电池突破了设计和公差的极限,以减少未参与存储的材料数量。 意想不到的后果之一是阴极和阳极材料的量之间的“不平衡”。 这产生“过量”的锂离子,然后沉积为锂金属,因此电镀。

这三个挑战说明了电池制造必须克服的越来越多的困难,以继续推动能量密度的极限。 然而,随着他们取得进步,妥协成为常态。 循环寿命通常会缩短。 1,000 +周期没有智能自适应控制的时代早已不复存在。 快速充电变得值得怀疑。 在某些情况下,安全性可能存在疑问。 潜在的研发工作花费了大量资金,其费用延长了电池制造商的财务限制,而且没有在以尽可能低的价格要求性能的市场中立即获得财务回报的承诺。

能够成为一名有很多重大问题的电池科学家真是太棒了......但话说再说,可能不是。