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手机电池可能会更耐用了 科学家提出新方案增大电池容量

手机电池可能会更耐用了 科学家提出新方案增大电池容量

苹果秋季发布会即将举行,在已爆料的各项信息中,电池容量最让人关注。iPhone12系列的电池容量全线缩水,引来吐槽不断,用户对新机续航的担忧不已。其实,不只是苹果,当前许多手机厂商都面临类似的问题。

由于电池容量有限,要增强续航,就必须牺牲轻薄的握持感。一些厂商另辟蹊径,研发快充技术,用充电速度掩盖容量不足的尴尬,已经有厂商实现了120瓦快充量产。这一方法虽然可行,但手机的世纪续航时间并没有增加。

目前,市场上使用的电池多为锂离子电池,其正/负极材料为锂金属或锂合金,使用非水电解质溶液。

需要先说明的是,锂离子电池不同于锂电池,后者的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯。锂电池无须充电,直接可用,但是循环效能差,充电容易造成内部短路,安全隐患较大。早期电子产品中使用的扣式电池就是锂电池。

美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯(Gilbert Newton Lewis)最早提出了相关概念并加以研究。

上个世纪70年代,被誉为“锂充电电池之父”斯坦利·惠廷厄姆(M.S.Whittingham)采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。1982年美国伊利诺伊理工大学的阿加瓦尔(R.R.Agarwal)和塞尔曼(J.R.Selman)发现锂离子具有嵌入石墨的特性。这一发现意义重大,石墨一度成为电池中的重要组成部分。

真正将锂离子电池推出商用市场的是索尼,该公司于1991年发布了首个商用锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

锂离子电池根据外形又可分成圆柱形、方形、纽扣形和薄膜锂离子电池。移动设备中所用的电池就是方形锂离子电池。

锂离子电池结构一般包括正极、负极、隔膜和有机电解质,有的类型的锂离子电池还有金属外壳。

正极:活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,镍钴锰酸锂材料,正极使用的材料不同分为不同种类。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。

负极:活性物质为石墨,或近似石墨结构的碳,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。

隔膜:一种经特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,可以让锂离子自由通过,而电子不能通过。

有机电解液:是电池中离子传输的载体,一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用,是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。

锂离子电池的工作原理也比较简单。在充电时,生成的锂离子从正极进入电解液,穿过隔膜上的小孔,流动到负极,与负极的电子结合在一起。放电时,电子从负极通过外部电路进入到达正极,同时,锂离子通过电解液,再次穿越隔膜进入正极。

与镍镉、镍氢等其他材料的电池相比,锂离子电池的单位密度容量已经算大了。但是,由于使用设备的耗电量越来越大,人们逐渐发现电池不够用了。

对更好电池的追求意味着对替代材料的探索,科学家们认为硅很有前途。用这种材料代替正极中的石墨成份,可以将电池的存储容量提高10倍。

但是,由于硅本身的特点,其耐用性不及石墨,在电池充电和放电时,硅会膨胀、收缩并分裂成小块,最终导致正极的退化和电池失效。

为了解决这一问题,科学家提出了一些措施,比如将硅制成海绵状的纳米纤维或纳米球。这种孔洞设计可以缓解硅在膨胀、收缩时的压力。

近日,美国克莱姆森大学(Clemson University)的研究小组提出了新的解决方案。研究结果已发表在《应用材料与界面》(Applied Materials and Interfaces)期刊上。

研究小组希望借助碳纳米管薄片来提高硅的可靠性。碳纳米管薄片又称为布巴克纸(Buck paper),拥有质量轻、硬度高等特性。与同体积的钢体相比,其质量仅为前者的十分之一;将巴克纸复合压紧,其硬度又比同等的钢铁硬500倍。

巴克纸还具有导电性,散热性也不错,莱斯大学的科学家韦德·亚当斯(Wade Adams)评价这种材料的“这些特性就象是耶稣的圣杯一样重要。”这种材料已被用于飞机新一代隔热罩。

这一新方案的结构类似三明治,最上层和最下层均是碳纳米管薄片,中间则为硅纳米离子。

该论文的第一作者赛伦德拉·切鲁瓦(Shailendra Chiluwal)表示,“独立的碳纳米管薄片使硅纳米粒子保持相互电连接。”“这些纳米管形成了一种准三维结构,即使在500次循环后也能将硅纳米粒子固定在一起,并降低了纳米粒子断裂时产生的电阻。”

通俗来说,碳纳米管薄片的导电性将硅纳米粒子连接起来,即使经过多次充放电循环,这些硅纳米离子不会因膨胀和收缩而断开连接。

同时,使用碳纳米管薄片的妙处在于,由于硅纳米粒子被上下两层拨片夹住,就算频繁的充放电循环使得硅纳米离子断开连接,这些断裂的离子还是被紧紧锁在其中,并能继续发挥作用。

研究团队表示,这一方案将使得电池具有更高的单位容量。此外,纳米管还能发挥缓冲的作用,使电池能够以当前迭代速度的四倍充电,有效提高充电速率。这项新方案如果落地,那么将在许多领域发挥作用。

值得注意的是,这项研究的资助人是美国宇航局,因此,我们猜测该技术可能最先用于航天领域。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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