为什么手机性能越来越强，电池性能却没有多大进步
来源：宝鄂实业
2019-03-18 09:52
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随着手机的发展，性能是越来越强，处理器也达到了10纳米的工艺制程，跑分更是夸张，但是电池性能却始终没有多大的改观，基本还是一天一充，想要长续航还是需要一块大电池才行。难道电池技术就没有进步吗？
其实电池技术是有进步的，只不过非常小，想要发生革命性改变并普及，目前来说是不可能的。
目前市面上的手机电池基本都是锂电池，因为锂是所有金属中电位非常低的金属，用锂作负极产生的额定电压较高，锂离子电池能够具有较高的能量密度，单位重量的情况下锂电池的能量是铅蓄电池的5倍以上，并且锂元素不是重金属，对环境造成的污染非常小，自身逃电率低、重量轻和使用寿命长，都是其它电池无法比拟的，目前也没有找到比锂电池更适合大面积使用的电池。
想要增加手机的续航能力，那就要想办法增加锂电池的能量密度，但能量密度和锂元素本身有很大的关系，在锂元素不变的基础上，科研人员只有不断更换电解液和正极材料才能勉强将电池的续航能力提高一点点，每年的进步只有3%左右。照理来说，每年进步3%，这十几年应该也有很大进步了了吧，但实际上电子产品的更新换代更快，芯片里的晶体管都是纳米级的，晶体管越做越小，芯片的处理能力一直在提高，芯片的运算能力一直在变强，那么耗电量就更大了。
所以看起来好像是电池技术没有什么进步，但其实已经进步不少了，只不过芯片进步更快，将电池技术的进步抹平了。
同时之前有报道石墨烯电池是未来非常有潜力的电池，它的能够承受上至100摄氏度，下至零下50摄氏度的温度环境，稳定的充放电次数也比锂电池要多，放置在火中也不会爆炸，续航能力比锂电池更强，而且充电仅需要几分钟，非常的完美。
而现实情况是，石墨烯是没办法量产的，而且生产制造难度较大，成本也较高，暂时是无法普及的。
锂硫电池由于具有高比能量、低成本和环境友好等特点而受到了广泛关注。然而，在实际应用的道路上，仍有一些挑战亟待解决，循环寿命短和硫负载量低是最尖锐的难题。这篇综述重点回顾了在多尺度层次设计原则基础上获得高负载量锂硫电池的进展。特别在界面反应、中尺度的装配策略、新颖的结构、正极和负极以及隔膜构型的创新上作了重点讨论。最终，文中获得了多尺度层次结构设计在高负载量锂硫电池具有广阔前景的结论。
来自清华大学的张强副教授（通讯作者）等人在Advanced Energy Materials上发表了题为“Review on High-Loading and High-Energy Lithium–Sulfur Batteries”的综述，总结了锂硫电池研究领域在高硫负载量、高能量密度方面的进展，重点介绍了正极的基础电化学反应，硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程，颗粒设计和电极结构；负极的金属锂和非金属负极；界面隔膜的修饰以及这些影响因素的综合配置。
S元素是Li-S电池中最常见的正极材料，阻碍它作为电化学活性元素的主要原因是较低的电导率（ 25 °C时为5 × 1030 S cm1 ），它会组织S和硫化锂(Li2S)在室温条件下的固-固转化。为了解决这种缓慢的动力学反应，通过像聚硫化物等一系列可溶性中间体来充当媒介，在有机电解液中溶解并移动，使得活性材料可以从固态表面获得电子，从溶液中获得离子，以此来实现氧化还原反应。
这一部分介绍了高硫负载量正极材料的设计原理和方法，关于硫-聚硫化物-硫化锂之间的反应，分成三个层次：1）界面工程；2）颗粒设计；3）电极结构。
其中，文中对后两部分进行了着重讨论，尤其是在设计原理和S的同素异形体，如S2-S4长链以及共价结合硫方面，因为它们在高硫负载量上扮演着重要角色。
1.1 界面工程
在Li–S氧化还原反应体系中引入多硫化物，一方面可以有利于聚硫化物的溶解和扩散，使绝缘硫和Li2S之间的电化学活性变得更加活跃，另一方面，由于存在穿梭效应，聚硫化物会在隔膜、硫正极、锂负极的氧化还原界面之间穿梭，导致容量衰减、效率降低以及自放电等损害。而且，硫的反复溶解和再沉积，会在硫和Li2S之间的固-固转变过程中，导致剧烈的体积变化（≈70%）。因此，处理聚硫化物在电极、电解液表面的溶解、扩散和氧化还原反应是设计先进电极的核心难题，尤其是对于高硫负载量的Li-S电池，穿梭效应会变得更加严重。除此以外，为了满足高电流密度，反应速率也需要同时增强。这些都要求研究者对反应机理进行更深入了解，以及对活性材料、导电的寄主材料和电解液界面之间更合理的表面工程设计。
鉴于电子和离子运输的限制，纳米材料由于减少了载流子的特征扩散长度，降低了动力学上的障碍，同时又能在表面上提供大量的反应活性位点，因此在可充电电池中被作为首选材料。然而纳米材料的应用存在以下几点问题：
1）大量的S暴露在电解液中不受控制，会使得穿梭效应变得更严重；
2）S正极上更高的孔隙率，使得电解液被大量摄取，导致E/S的比值（电解液/硫）变得更高，使比能量降低；
3）随机填充材料诱导产生宏观各向异性，扰乱电子、离子的空间分布，产生全电极内热，导致不均匀的反应和传输行为，甚至是有效质量/体积的钝化；
4）组装密度低，降低了体积能量密度。
虽然粘结剂在电极中仅占2-10%的重量，但是对于二次电池的循环寿命却起着主要的影响。对于传统的LIBs，粘结剂在电化学的离子嵌入/脱出或者是合金/去合金过程中起着胶合导电剂和固态活性材料的作用，并将得到的复合粒子粘结在集流体上。尤其是对于较厚的电极，粘结剂的作用将显得更加重要。因此，一种对于活性材料和导电剂具有很强的粘接强度、低电阻以及合理的物理化学稳定性的粘结剂将显得十分必要。
