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颜值爆表的时代：哪款电池才是你心目中的理想之选？
在如今这个全民看脸的时代，电池界也在轮番上演着颜值大比拼。不要走开，我们一起来看看。powerwall：颜色鲜艳，更高级的家庭装充电宝powerwall可连接太阳能充电，有五种颜色，两种型号可供选择（来源：）这月初，电动汽车的先行者特斯拉发布了自家的powerwall，美其名曰家用能量电池墙，通俗点讲其实就是一块面积类似冰箱那么大（但没有冰箱那么厚，大概7.1英寸左右）的电池或者充电宝。略微高级一点的是，它能够存储来自太阳能、电网以及model S等多个渠道的电力。消费者可将powerwall作为储能装置，维持家庭生活所用。本质上，powerwall还是一块可充放电的锂电池，其亮点在于结合了太阳能分布式发电以及锂电池储能，能够实现转移负荷、太阳能发电自给以及电力备份。而至于电池的核心技术——电极材料以及光电转化率似乎并没有多少提升。还有备受人们吐槽的成本问题。powerwall“裸机”价格是3000美元或3500美元，此外用户还要考虑附加设备，例如逆变器、太阳能装置以及安装费用，另外，在美国太阳能发电也是要按发电量收取费用的，并不是说真的就能自给自足了。因此，powerwall目前还只是属于富豪的游戏。纸片电池：小巧袖珍，解燃眉之急的必备如果说powerwall以大体积吸引眼球，那么纸片电池就是以小巧夺目了。假使你出差外地，急需给朋友打电话但恰巧刚刚在火车上刷微博、看视频把手机电量消耗完了，那么此时可能你就需要去附近便利店购买这样一种袖珍型的纸片电池，来临时解决手机没电的烦恼。纸片电池的发展趋势就是有一天能像便利店里的纸巾一样，随处可见，随时可得，并且价格低廉，以解决人们的应急所需。&纸片电池结构与原理示意图从原理来看，纸电池其实是一个超级电容器，它的神奇之处在于将电极、电解液和隔离膜这三部分集中在一张神奇的纤维素纸上。其中，正负电极分别是覆盖于纸上的金属锂和碳纳米管，电解液是六氟磷酸锂离子液体，纤维素纸即起到隔离膜的作用。除了制造方法创新外，由于这种电池使用纤维素，从而具有很好的柔韧性，并且在回收环保方面具有一定优势。不管是碳纳米管的使用，还是现在纸电池技术的发展，仍然是阻碍其商业化的两大瓶颈。飞轮电池：持久耐用，绿色能源之梦的终极化学蓄电池往往会受电池寿命以及效率的制约。于是，科学家思考有没有一种效率高、寿命长、储能多且更加环保无污染的储能装置呢？飞轮电池就这样出现在了人们的视野中。&&POWERTHRU飞轮结构示意图（来源：）飞轮电池突破了化学电池的局限，由飞轮、电动机-发电机和电力电子变换装置三部分组成，以处于核心真空室内飞轮高速旋转产生的动能转换并输出为外电能来实现存储。飞轮储能的高低很大程度取决于飞轮质量以及旋转速度。近年来，高强度、低密度的纤维复合材料的问世与飞速发展促进了飞轮储能技术的实际应用。目前选用碳纤维复合材料制作的飞轮轮缘线速度比子弹的速度还要大，高达1000米/秒。此外，为减少摩擦损耗以及基于高能永磁体和高温超导技术的出现，飞轮使用非接触式磁轴承。NASA曾耗费20年研究，之后太空总署在空间站安装了48个飞轮电池，据称联合在一起可提供超过150KW的电能，不过仅能存储30秒。就目前来看，飞轮材料、真空内动能如何向真空外输出电能以及如何实现磁悬浮超级高速认识制约飞轮储能技术发展的几大因素。 因此尽管飞轮电池发展潜力惊人(比能量可达150W• h/kg，比功率达W/kg，使用寿命在20年以上),是最接近人类“绿色能源”之梦的储能方式，但要真正应用到汽车、太空等大场合依然是一件很遥远的事情。不过，关于飞轮电池的研究仍然是许多国家的热点，并且是保密项目。我国在北航、国防科大等单位有相关的磁悬浮飞轮研究。无线充电：我的优雅无与伦比相比于前面所讲的电池，无线充电可能仅仅是一种获取电力的途径。过去一年间其风靡之势使得人们提到电池充电必谈无线充电。试想若是通过一个软件就可以实现手机、笔记本与其他电力设备间的电力传输，就像Wi-Fi或者蓝牙一样，这该是多么酷炫的一件事情。&无线充电是利用电感耦合将能量从供电设备（发送方）传送到用电装置（接收方）以实现充电。如今在实验室中，使用无线充电器已经可以实验10米以内的无限充电传输。是的，现实中无线充电仍要将设备放置在一个无限充电器上，并且此无线充电器需要通过USB线连接电源。不管怎么说，各种储能电池或者技术都是向着长寿命、大容量、充电速度快、更便捷的趋势发展。抛开外表的华丽噱头，只有踏踏实实地研究核心材料与技术，我们期待中的电池才会尽早出现在公众的生活中。本文由材料人ever提供，材料人网编辑整理。
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终极电池在哪里？锂空气和燃料电池值得期待
来源：雷锋网&&&
作者：佚名&&&
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　　自从20世纪中期计算机芯片发明以来，技术就一直在飞速进步，我们可以用一个故事来讲述：摩尔定律。每2年芯片中的晶体管数量就会翻倍，其它技术也在进步，最终使得处理器的性能每隔18个月翻一倍。从摩尔定律被定义的那天起，到现在已经40多年了，它一直没有被打破。一代人在电子领域创造了惊人的进步，摩尔定律很好地诠释了这些进步；在摩尔定律的推动下，智能手机已经进入到亿万人的口袋，它比几十年前最好的电脑还要强大几千倍。
　　再看看设备中使用的电池，它的发展完全和摩尔定律不匹配。1991年索尼率先将锂电池商用，到今天这门技术并没有明显的改变。汽车使用的技术更为古老，内燃发动机的基本设计、车用铅酸电池几十年都很少改变。
　　纵观设计的历史，大多时候企业们根本没有改变的欲望，行业一直运行得很好，我们很少去考虑电池。回看2000年时，手机充一次电可以用好几天。然而在过去的10年里，我们已经进入了智能手机时代，电池的不足开始变得严重起来。与9年前乔布斯发布的iPhone相比，苹果最新的手机强大16倍，但它的续航时间仍然不到一天。500)this.width=500' align='center' hspace=10 vspace=10 />&&&&新老手机之所以性能差距如此之大，主要归功于工程进步，它是通过提高处理器效能实现的，而不是因为电池更好。至于毫安时(在一定的放电时间下完全放电产生的电流)，iPhone 6s只比2007年第一代iPhone提高了22%。
　　锂电池挑战
　　设计锂电池很简单。当电池充电时，电子流通过电路传送到负极，吸引电解质溶液中的锂离子(一种可带电粒子)。当我们使用电池时，离子会通过溶液转移到负电极，它会释放电流给设备充电。
　　这是相当基本的化学过程，结果就是很难改进。只有几种元素可以使用，而事实证明锂是最适合的。要改进电池，办法就是改变电极和电解质的化学成份，但改进是逐步进行的，而且随着时间的推移改进会越来越难。尽管富有的科技公司不断向电池投入资本，每年电池的性能仍然只能提升5%。事实上，许多电池制造商发现要提升电池效能，最好的办法就是增加体积，让它有更大的空间容纳更多的离子。
　　对于许多人来说，这样的办法显然不够好。智能手机最开始只是日常生活的重要部分，现在成了我们的基本需求。我们用它来支付钱款，用它来通信，用它来导航。如果手机不能用，我们会很心烦。这还不算什么，当电动汽车、抢救生命的健康设备没有电时后果更严重。照预测，太阳能将是未来的主要能源，如果没有太阳，就需要电池拥有很大的存储容量才行。
　　替代产品
　　人们对电池越来越依赖，受到需求的推动，企业投入大量的时间和金钱开发锂电池替代产品。
　　去年，剑桥大学科学家宣布获得巨大突破，它们开发了“锂空气”(lithium-air)电池，科学家宣称新电池的性能是现有锂电池的10倍。新技术直接使用空气中氧气的部分电子，而不是使用存储在电池一端的电子，他们宣称电池的性能可以大幅提高，充电一次可以让一辆电动汽车从伦敦开到爱丁堡。
　　剑桥科学家将这种“锂空气”电池称为“终极电池”，其实这种设计几十年前就出现了，但传统的过氧化锂设计被证明是不稳定的，而且不支持多次充电。采用新的化学成份替代氢氧化锂能减少耗电化学反应的次数，使得电池可以反复充电2000次以上。
　　美国伊利诺斯州阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究者上周宣布取得突破，他们推出了超氧化锂物电池，新技术解决了其它锂空气电池的许多主要难题。新设计还要几年才能投入商用，可能至少需要10年时间。
　　还有一个方案也许同样行得通：不去开发更好的电池，而是寻找更好的方法提供能量。英国IntelliGEnt Energy公司宣称在不久的将来可以在消费电子产品上使用氢燃料电池。500)this.width=500' align='center' hspace=10 vspace=10 />&&&&Intelligent Energy公司CEO Henri Winand说，采用新技术开发的原型电池能够让智能手机连续用上一星期，可以让无人机飞几小时而不是30分钟。它不需要充电，燃料电池可以在内部互换。公司还与Suzuki合作开发搭载燃料电池的滑板车，它还与一家新兴智能手机商开发使用燃料电池的产品。魏南德说：“以后我们不用再按照电量来安排生活。”他说采用燃料电池的手机还有18个月就会出现。
　　对于依赖电池的消费者和企业来说，这样的速度还是不够快，燃料电池可能需要好多年才能形成主流。同时，一些技术企业仍然在投资锂电池技术，它们认为短期之内这是最好的选择。
　　放眼全球，有许多企业大规模使用电池，特斯拉是其中的一个，它投资近50亿美元在美国内华达建造锂电池工厂。还有一些消费电子企业拒绝依赖突破性技术，它们转而重视无线充电技术或者快速充电技术，只需要半小时或者一小时就可以将电池从0充到60%。
　　即使是最有希望的新电池暂时也还不可能取代锂电池，新电池还需要多年的测试，需要法律的许可，然后才能进入到汽车和手机中。不论谁赢得竞争，它的电池都将是本世界最大的突破之一。
责任编辑：cnfol001
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手机终极瓶颈：电池创新走到哪步？
来源：作者：本一责编：刀马
《经济学人》近日推出年度科技专刊，对锂电池技术的发展进行了回顾，同时介绍了目前锂电池领域进行的前沿创新，对未来家用/工业级储能电池产业亦有探讨，车云菌独家编译，并有所删减。只要经常各地飞的朋友们不难发现，机场里除了咖啡馆和各种餐馆常常人满为患，大家候机时最喜欢待得地方，莫过于各个登机口旁边放置的充电柱，因为现在无论哪个牌子的智能手机，如果连续使用，续航都超不过6~8个小时；而面对市场上众多品牌的电动车型，单次充电续航里程的多少，也成了消费者购买电动汽车的主要衡量标准，甚至「里程焦虑」（Range Anxiety）这样的词汇也应运而生。原地踏步？像电池这种在现代生活中扮演着重要角色的储能产品，却迟迟跟不上前沿科技快速前进的脚步，而赤裸裸的现实只会令人更加郁闷，特别是硅谷很多创业家对电池技术的发展缺乏类似“摩尔定律（Moore's Law）”这样的理论支撑而深感惋惜。「摩尔定律」是由英特尔联合创始人戈登?摩尔于1965年提出的，他预测“计算机芯片每18个月性能都会翻倍，但成本却在逐渐降低”。对英特尔这样的芯片商而言，摩尔定律的出现反倒成了刺激其技术突破的外部力量，所以电池产业亟待一场能够带来翻天覆地变化的革命力量。诚然，我们日常使用的电池已经在性能上有了大幅提升，但是相比摩尔定律描述的芯片技术的革新速度，仍相差万里。目前大多数移动电子设备和电动汽车都靠锂电池功能，而正是索尼在20世纪90年代将其实现了商业化生产。在过去的几年里，锂电池的重量越来越轻，但容量和性能却与日俱增，像苹果MacBook Air使用的大尺寸锂电池，在正常工作模式下，可实现12小时的超长待机。美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory），电化学技术小组负责人Vincent Battaglia认为“锂电池是一种近乎理想的电池”。因为锂是地球上重量最轻的金属，相比铅、锌和镍镉这些比重更大的替代品，它携带电子的能力更胜一筹。此外，锂电池不会出现镍镉电池的“记忆效应”，所以你完全不必等电量耗尽，随充随用也不用担心会对电池造成伤害。但现在的焦点其实在锂电池自身的相对短板上。锂的过于活泼导致安全性问题，能量密度偏低，储电成本偏高等。尽管目前很多科研人员都在努力尝试，但大家面临的主要问题在于如何将理想化的实验成果转化为可大批量生产的、日常生活能够使用的电池产品。由于在电极材料的选择和制造工艺上，并无大幅改观，因此不少科学家对锂电池能量密度是否能在现有水平上得到进一步提升，仍持保留意见。关于锂电池电极、电解质的各种创新目前Battaglia博士领导的实验小组正在研究一种名为“过渡金属”（transition metals）的材料。这是一种由金属锰、镍、钴和石墨组成的混合物，可用来充当锂电池的电极。Battaglia表示只要找到上述四种金属的最佳配比，就能够有效提高原有锂电池的能量密度。相比开发一款全新电池产品所耗费的精力和财力，这种「借力」的方式实在是有够机智！其他机构的研究人员则探索了多种提高电池能量密度的方式。来自美国斯坦福大学的崔毅和他的同事们正在开发一种薄膜，它的厚度只有原子大小，可用来包裹电池阳极。据悉，经过薄膜包裹处理后的阳极能够承载锂离子的数量大幅增加，同时搭配用硫制成的阴极（硫，和金属锂类似，有着很高的能量密度），其存储的电能总量约为同质量锂电池的5倍。无独有偶，美国橡树岭国家实验室的梁诚度（音译）及其研究团队有着类似的实验成果。他们正在开发的一款锂硫电池并没有采用传统液态或胶状的电解质，而是“剑走偏锋”的使用了固态电解质，这使得电池本身会变得更加稳定，即使能量密度大幅提升也不用担心出现过热起火的事故。不过遗憾的是，即便这些电池目前已经具备了商业化的条件，但在正式推向市场之前，还有着很长的一段路要走。美国橡树岭国家实验室开发的锂硫电池其实，一些体积非常小的固态电池在小型装置和传感器上并不陌生，它们经常被用作微型芯片的备用电源。不过这种固态电池的生产方式和传统锂电池大为不同，和半导体的制作工艺颇为相似，即将电池材料通过「印刷」的方式置于底层基板上。尽管这种固态电池的能量密度极高，但如若生产用于手机和电动汽车使用的大型产品，成本造价则太过昂贵。为此，已经有很多公司在积极尝试改变这一现状。Sakti3作为密歇根州本土的一家电池供应商，目标是将“锂-*电池”每千瓦时的储能费用降至100美元左右，而英国知名吸尘器制造商戴森近日则为这家公司注资1500万美金，用于支撑该研究项目的进行。此外，德国大众集团数月前曾购入一家位于硅谷、致力于固态电池研究的初创公司――QuantumScape的5%股权。从理论上来看，锂空气电池的能量密度最高，而空气的使用则会大幅降低该电池的重量。尽管研究人员数年一直在尝试制作类似的锂电池，但目前还只是停留在试验阶段，尚无任何可投入商用的重大成果推出。工业、家居储能电池的发展当然，在某些特定情况下，电池重量并不是什么问题，而此时金属「锂」也面临着大波的竞争对手。目前，很多公司都在研发可存储电网过剩电能的巨型电池，这对仍处于阶段性发展的可再生能源市场会产生不同程度的冲击。随着工业现代化时代的到来，很多电力公司在用电高峰期表现出了「力不从心、疲于应对」的状态，如果某些用电需求不高的地区能够将冗余电量随时存储起来，那么整个电网系统的负荷也将得到有效平衡，可谓物美价廉的解决方案。但目前仅有不到0.01%的过剩电能被存储了起来，而任何一家商业电力公司都有在发电之初或输送过程中储存电能的能力。EOS能源存储公司副总裁Philippe Bouchard表示纽约和加州的电力公司已经在使用其公司推出的类似大型集装箱的锌离子电池用于冗余电量的储存，该电池造价仅160美元/千瓦时，对电网级别的储能产品而言，有着无可比拟的成本竞争优势。其他像美国通用电气、韩国LG，日本NEC，德国戴姆勒，特斯拉以及初创公司Aquion Energy都已经陆续进入了大型储能电池这片行业蓝海，而崛起于卡内基梅隆大学的Aquion Energy甚至得到了前微软联合创始人比尔?盖茨等一众大佬的资金支持。这样的电池产品其实完全可以在家用以及商用领域进行「大肆」推广。设想一下，电池系统能够在用电波谷期将电网冗余电能储存起来，既保证了用电高峰期电网系统的稳定，同时还能大幅节省用电支出。而可再生的太阳能和风能转化为电能后，完全可以在电网负荷较重时「回输」，以换取电费折扣。如此一来，一些小型商户和家庭完全可以体验「脱网」时代的生活了。那么能够用于家庭的小型电能存储系统除锂离子、锌离子电池之外，还有没有其他选择呢？这里要谈谈大家可能并不太熟悉的液流电池（flow battery）。液流电池通常包含两个容器，其中贮存有液体化学溶剂，形成两个次系统。这两个次系统间的连接部分，为发电区，以薄膜相隔。这两种化学溶剂，流动到发电区，隔着薄膜，产生离子交换，透过这种方式来进行充放电。从理论上来讲，液流电池的能量密度取决于存放电解液容器的大小，因此将其制成固定式家用产品并没有太大困难。哈佛大学教授Michael Aziz带领的研究团队一直在进行可接入电网的工业级液流电池产品的开发，但近日其表示有望推出一款安全、价格低廉、约莫电暖气大小、可放在地下室使用的家用产品。目前多数液流电池产品控制电解液进出的节流泵仍由贵金属制成，这使得其造价一直居高不下。但来自哈佛大学的团队表示之所以他们开发的系统有着巨大的商业化潜力，是因为整个液流电池系统使用了一种通过自然形成的有机材料“醌类”代替常规金属泵，它和动植物体内的储能分子有着相似的功能和性质，可大幅降低液流电池的制造成本。不过，据Aziz教授称，为了提高电池性能，他们使用了溴这种毒性很大的材料充当电极，但整个团队有信心未来找到可用于制作电极的有机材料。由此来看，属于液流电池的时代仍未到来。而在此之前，如果锂电池的造价能够再低一些，它完全是替代那些写字楼里笨重但相对便宜的蓄电池的不二之选，毕竟轻量化、紧凑的设计，以及理想的能量密度，具有非常吸引人的竞争优势。这不正是“钢铁侠”伊隆?马斯克所畅想的锂电池的光明前景吗？作为一家只生产纯电动汽车的“非主流”车企，特斯拉将投资50亿美金联合松下集团在内华达州共建一座超级电池工厂。正式投产预计明年开始，按照特斯拉官方公布的计划，截止到2020年，超级电池工厂的产能将能够满足50万辆车子的正常交付需求。在面对锂电池的技术革新问题上，似乎特斯拉并没有斥巨资进行高容量密度产品的研究。马斯克认为技术的稳步提升以及生产的高效进行都能够使锂电池成本下降约30%，同时也有助于特斯拉销售更多的电动车型。当然，超级电池工厂的一部分产品也将用作家庭以及工商业级别的储能设备使用。4月底，特斯拉公布了酝酿已久的能源计划，同时第一款针对家庭使用、容量为10千瓦时的固定式家用电池Powerwall已经开放预订，售价为3500美金（不包括控制系统以及整体安装费用）。小结：尽管目前锂电池技术并未实现任何创新性的突破，且面临其他种类电池的冲击，但从20世纪90年代第一块索尼电池的推出，到今天智能手机、笔记本电脑的普及，锂电池应用范围的扩张趋势不可阻挡。目前我们所期待的，正是锂电池在实验室中的创新突破，何时能够走上工业化的道路上来。微信搜索“IT之家”关注抢6s大礼！下载IT之家客户端（）也可参与评论抽楼层大奖！
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