手机电池越来越不耐用？原来是“锂电池”的原因吗？
来源：宝鄂实业
2019-03-28 14:09
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为什么你的手机电池在新的时候持数天，但在一年后的几个小时就只能用一天了？来自《路透社》的报道称，最新研究揭示了锂离子电池如何降解并为更持久的电池铺平道路。
科学家终于揭开了为什么智能手机电池在使用一年左右之后会出现电池寿命迅速衰减的秘密。根据最新调查结果，人们普遍理解的锂离子电池工作原理是不正确的。它们不是带电粒子在电池内部以单一，均匀的方向流动，而是以随机的运动模式来回移动。根据研究人员的说法，这些最新研究成果可用于制造新型电池，使电池持续更长时间并保持电量而不会损坏电池的使用寿命。科学家表示，这可能可以促进于电动汽车的大规模推广，以及改善全球数十亿依靠电池运转的小工具的使用寿命。
这项突破性的研究来自斯坦福大学，麻省理工学院和巴斯大学的研究人员，他们发现我们对锂离子电池（这种类型为我们最喜爱的手机、电脑以及其他小电器提供动力）的理解是不正确的。已知带电粒子通过材料（电解质）在正电极和负电极之间流动，并且该运动产生电荷。然而，之前认为锂是各向异性的，这意味着它在单一方向上流动，颗粒以单一、均匀的方式通过电池。然而，现在已经发现，现实是非常不同的，并且被称为离子的颗粒实际上在电解质中来回循环和流动。这会在电池内部产生随机密集的离子，从而产生大量热量，损坏电池的使用寿命。
结果，电池失去了保持电量的能力，我们经常发现自己更经常地依赖便携式充电宝。
斯坦福大学助理教授William Chueh说：'我们使用了来自加速器的非常强大的X射线，我们正在使用这些X射线来观察这些单独的纳米颗粒。“我们最初的期望是锂只在某些方向上移动。 我们实际看到锂的走向是不符合我们原先理解的方向。该研究利用斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的设施，让科学家团队在纳米尺度上研究电池的工作细节。Chueh博士详细阐述了这一现象，并解释说以前的理论没有说明液体如何与固体相互作用。他说：“有点像太空，我们考虑粒子在真空中的表现，但电池内部不是真空的，它充满了液体。”该团队相信他们将能够通过改变运输路径来解决这个缺陷，并在未来开发出更耐用的电池。
那么问题来了，锂离子电池究竟如何工作？
实际上，锂离子电池通过将电子从电池的一端“移动到另一端”来存储和释放能量。我们可以利用来自那些移动电子的能量来为我们工作，比如为钻机提供动力一样。
电池的这两个“端”称为电极。 一个称为阳极，另一个称为阴极。通常，阳极由碳制成，阴极由称为金属氧化物的化合物制成，如氧化钴。
最终的电池成分称为电解质，它位于两个电极之间。在锂离子电池的情况下，电解质是含有锂离子的盐溶液。锂电池也因此得名。将电池放入设备时，带正电的锂离子会被吸引并向阴极移动。一旦阴极被这些离子轰击，阴极就会比阳极充电更多，这会吸引带负电的电子。随着电子开始向阴极移动，我们迫使它们穿过我们的器件并利用电子流向阴极的能量来产生电能。你可以把它想象成水轮，除了在这里不是水流动，而是电子流动。
锂离子电池特别有用，因为它们是可充电的。当电池连接到充电器时，锂离子以与以前相反的方向移动。当它们从阴极移动到阳极时，电池恢复供另一次使用。与其他电池相比，锂离子电池每单位重量也可以产生更多的电力。这意味着锂离子电池可以存储与其他电池相同的功率，但可以在更轻更小的体积中实现。
具体我们是如何为电池充电的呢？
简单来讲，电池由三个部件组成：正电极，负电极和电解质。当电池正在充电时，锂离子从正电极中提取并通过晶体结构和电解质移动到负电极，在那里它们被存储下来。此过程发生得越快，电池充电的速度就越快。制造电池的材料会严重限制该速率。石墨是负极的常用材料，因为它能很好地接受正离子并具有高能量密度。在寻找新的电极材料时，研究人员通常会尝试使颗粒变小。然而，制造具有纳米颗粒的实用电池是困难的，因为它与电解质产生许多棘手的化学反应，因此电池不会持续那么长，而且制造成本昂贵。
与铅酸电池相比，锂电池的能量密度高、寿命长、体积小、重量轻等优点，被人们寄予替代铅酸电池的厚望。三年前，有业内专家预测，在制造电动车领域，锂电池在2015年可以替代大约20%的铅酸电池，五年内可以实现大约替代30%的铅酸电池。然而时值今日，锂电池实际替代铅酸电池不到10%，而未来两年内要实现目标看来是非常的艰难。据最近行业协会预测的数据显示：今年锂电车的销量约300万辆，而整个电动车产销量约3200万辆。那么锂电池替代铅酸电池的主要障碍在哪里？
锂电池性价比优势并不突出。据众多经销锂电车的经销商反映：采用国产锂电池的电动车，返修率居高不下。国内实力雄厚的锂电池企业与一般的中小锂电池企业(pack)工厂制造出来的锂电池其返修率竟然低到5%，高到13%左右的差距，价格十分的悬殊：以锰系材料的48V12Ah约500元/组左右，镍钴锰三元材料的锂电池48V12Ah约650元/组左右。但是pack锂电池48V12Ah只有约320元/组左右。但是这种pack锂电池使用不到一年，电池容量大大衰减，已经无法再使用。而锰系材料和三元材料的锂电池与铅酸相比，除了体积小与重量轻之外，其余并没有多大的优势，其使用达到2年以上，电池的衰减程度已经无法满足行驶长距离的要求。
返修时间过长严重制约了消费者的使用。一旦出现锂电池的故障进行返修，时间长则一个星期左右，甚至有的更长，让消费者等待得不耐烦，失去了使用的信心。其原因是，经销商无法维修或更换锂电池内部出现问题的电芯，一定要通过快递运送到制造企业，通过专业设备来进行电池的维修。这是制约锂电池大规模替代铅酸电池的关键之一。
锂电池过于“娇贵”，无法像铅酸电池那样经得起折腾。锂电车在使用过程中，经不起摔扔撞击，一旦锂电池遭到刺穿，或者剧烈撞击把锂电池摔坏，锂电池就有可能会产生燃烧与爆炸；锂电池对充电器的要求很高，不能像铅酸电池那样随便用马路边的投币充电器来充电，一旦电流过大，击穿锂电池内的保护板就有可能产生导致燃烧甚至爆炸。
由于锂电池产品质量良莠不齐，大量的低端锂电池冲击着市场，使得经销商对锂电车企业的选择格外的小心谨慎，弄不好哪家制造企业一年半载之后就关门跑路，采购进来的锂电车就要让经销商全部兜着处理了。由此可见，锂电池要实现替代铅酸电池，如果不改变上述的问题，再过五年恐怕也很难
