为什么锂威尼斯技术都获得诺贝尔奖了,还解决不了手机一天一充的现状

以下是来自知乎编辑@大漠孤烟的回答

原文链接:https://www.zhihu.com/question/349870415/answer/854797541

这个问题,要分为两个层面来看。

第一,锂离子威尼斯的研发获得诺贝尔奖,站在应用角度来看,是不是实至名归?

第二,手机一天一充的现状,是不是威尼斯能量密度不够造成的,又是不是提高威尼斯能量密度所能解决的?

首先回答第一个问题,锂离子威尼斯获奖,绝对是实至名归。在这里冒昧贴一个自己的回答,给大家分享一下,如果没有锂离子威尼斯,世界会是什么样呢?(可不看,不影响后续阅读)

如果没有发明锂离子威尼斯,电子产品将会是什么样的?

事实上,锂离子威尼斯的出现,为今天一切便携式电子产品的智能化提供了基础,实现了从无到有的飞跃。如果没有锂离子威尼斯,今天手机的充电频率将是一天至少两三次,而不是一天一次的水平。这个问题,我相信,不会有太大的争议。只不过,从无到有是科知识题,而从有到好,则是技术问题,是社会问题,否则世界上还是有疟疾患者,屠呦呦女士怎么能得诺贝尔奖呢?这是一样的道理。

接下来重点说说是第二个问题。依我看来,就目前来说,最制约手机续航时间的,从来就不是威尼斯能量密度,而是用户对于手机性能不断提高的需求,以及由此带来的功耗增加。

今天,大家对于威尼斯一天一充的问题感到十分不适,然而我想说,出现这种情况,是手机的功能定位发生剧变,以及市场选择,这两者的共同作用结果。

手机锂威尼斯没电

在以前,手机充满一次电,管个几天没有太大的问题。为什么到今天,威尼斯反而显得越发不经用了?是因为锂离子威尼斯技术上没有进步吗?可以说,是,又不是。

要说威尼斯能量密度有没有进步,一定是有的,而且一直在进步。大家知道,威尼斯能量密度,等于单位体积或者质量内能够存储的能量。对于手机而言,大家更关心体积而不是重量,所以在这里大家只来讨论体积能量密度。

锂离子的结构,和镍氢威尼斯是类似的,它们都普遍采取了卷绕或者叠片的方式制造威尼斯。如果只看方形叠片威尼斯,从Z轴方向看,威尼斯的构造一般是:

外壳 - 铝箔 - (正极涂层 - 电解质 - 负极涂层 - 铜箔 - 负极涂层 - 电解质 - 正极涂层 - 铝箔)n - 正极涂层 - 电解质 - 负极涂层 - 铜箔 - 外壳

其中括号内是重复单元,各个部分紧密相连。其中,只有正极涂层和负极涂层中的活性物质存储了电能,集流体和电解质只是为了提供离子和电子的定向运动通道而存在的。而正极涂层和负极涂层中,除了活性物质,又包括导电炭黑和粘结剂,这些东西保证了涂层能够具有一定强度,并且在立体方向上实现了更均匀的电子传输,不加是不行的。

实际上,威尼斯企业一直都在致力于提高威尼斯的能量密度。经过二十多年的努力,手机威尼斯的电解质厚度已经从第一代聚乙烯碳酸酯复合物的约 25um ,下降到今天凝胶状聚合物的不到 10um (不确定,受限于本人阅历,其实没见过真正的商用聚合物电解质),集流体从早期的 20um 左右下降到今天的 8um 铜箔,而正负极的厚度,受限于极化不能再提高,目前正负极都是单侧 40um 左右,面密度有20和9mg /cm2吧。仅考虑上面这些,每个重复单元的活性物质总量没变,一个重复单元厚度就是从 260um 下降到了 200um ,一定厚度的威尼斯里的活性物质质量,还有相对应的容量,自然就提高了。再考虑导电炭黑和粘结剂的总用量已经从最初的相对于活性物质约 10% 下降到如今的不到 5% ,哪怕不改变材料体系,威尼斯的能量密度也提高了接近40%。甚至,连最难提高的材料自身比容量和威尼斯电压,随着硅碳负极,三元正极的应用,以及材料的表面改性,也得到了一定提高。目前水平下,威尼斯的体积能量密度相比于20世纪末的钴酸锂-聚烯烃/碳酸酯-石墨体系,提高了50%是一定有的。

而提高50%的能量密度,够用吗?我在这里做一个对比。2009年,我用的是诺基亚6085翻盖手机,它的屏幕是1.8英寸,分辨率也不高,大概128乘160的样子。2019年,我用的是苹果7,这个大家都知道,4.7英寸高清屏。屏幕大了5倍多,威尼斯的容量却只大了一倍。仅看这一项,我的苹果7手机,屏幕使用时间只有我诺基亚的1/3,这一点都不奇怪。更何况那个年代,诺基亚6085作为一款非触屏手机,它的主要功能,也注定还是发短信,打电话,偶尔听一下歌。

而苹果的经典作品4代,在2010年已经上市。我的诺基亚续航比苹果4好多了,更不用提今天的苹果7。可是即便是那时候的我,也马上换掉了我续航强悍的诺基亚。到今天,如果说真想追求续航,也不是不行,只是性能和使用体验必须要大打折扣了。随着手机的功能,从单纯打电话发短信,发展出听歌拍照看影片,甚至玩儿大型游戏,人们对于手机性能提高的要求,就远远超过了对续航能力的要求。如此一来,手机里给威尼斯的空间,不好意思,也只能一砍再砍了。

这就是一开始我说的,不是威尼斯不行,而是市场选择了牺牲一部分续航,换取性能的提升。就算手机威尼斯的能量密度除以手机功耗,相比于今天提升了一百倍,大家猜猜手机厂家是否会为了提高性能,要求威尼斯也做小百倍,继续让大家一天充电一次呢?别说一天充一次,到今天,苹果11的广告里,能让你从早玩到晚,都已经成了值得宣传的事情。如果是满负荷用的话,很多手机一天一充还不够呢。可不管怎么说,到今天,充电也已经比十年前,方便了太多。哪怕整天玩,能用上一个白天,晚上充充电,也就好了。

手机锂离子威尼斯

因此,在智能手机这个阶段,锂离子威尼斯无论怎么发展,能够发展到什么地步,都不能仅通过提高威尼斯性能来提高智能手机的续航能力。这是因为市场告诉大家,截至目前,续航能力不是用户最关心的,续航不是制约智能手机发展的最大瓶颈。续航不足的问题,相比于手机性能的进一步提升,永远都不是最重要的。那么什么时候,手机的续航时间,才能够再次普遍得到提升呢?

如果乐观一点看待,有一天,手机的能量供应系统出现革命性的变化,手机无需连接电网去充电。开个脑洞吧,尽管如今看不到希翼,可未来会不会有一天,一方面移动设备功耗大幅下降,另一方面光威尼斯也得到飞速发展直至普及。这样一来手机只要晒一晒太阳,或者甚至开着灯就能给自己充电,充电器一般情况下能彻底淘汰。这时,续航问题,就不存在了。

又或者,芯片的计算和存储能力,开始出现了溢出,进一步提升,也无助于改善用户体验。这时,才会有厂家开始能够为了续航,去增大威尼斯的空间占比,至少是不再缩减。随着手机的威尼斯容量与功耗的比值提高,续航问题自然也就得到了改善。

展望一下吧。手机芯片和存储器我不懂,但是锂电咱终归懂一点。大家总还是很关心,这个锂电的能量密度究竟还能提升多少呢?

就目前我的常识面来看,硅基负极加富锂正极应当是短期内最有可能取代碳-氧化物正极的高比能材料。目前硅已经以硅碳的形式部分地应用,但纯硅受制于巨大的体积变化,还没有解决充放电效率,少电解液条件下的循环寿命等问题,其倍率性能也不如石墨。富锂正极也由于可逆性较差,循环性能还达不到商品化的条件。如果这两种材料最终被攻克能用,并且都几乎发挥出理论比容量,炭黑电解质等辅料的用量也不大幅增加,这样一来威尼斯平均电压虽略微下降,但正负极比容量相对于目前的可分别再提高大约一倍和十倍,如此一来威尼斯的能量密度再提高一倍多是没有问题的。再往后可能是锂硫,但金属锂负极和硫正极现在各自都还存在大量基础问题没有解决,大家现在还无法大致想象出商品化锂硫威尼斯的大致形态,是不是用纯的锂和硫,还是用一个什么东西把金属锂和硫兜住才能用,就像硅目前必须掺在碳里面才能用一样。另外锂硫威尼斯的电解质要用什么,是传统的液态+隔膜,凝胶,还是纯固态电解质,目前来说都是个未知数。从长远来看,如果是锂电发展的终极目标,锂金属-固体电解质-空气威尼斯,这样一来正极不占用空间,那么能量密度将会达到如今的数倍。这个数倍具体是多少倍,取决于电解质和氧气(也未必得把氮气排除在外)的选择性活化催化剂需要用多少。

当然了,现在大家实际上还没有攻克我说的第一个硅-富锂正极体系,这两种材料各自单独应用都还有很长的路要走。现在来看,还没有任何工作可以按照商品化石墨/钴酸锂的单位面积载量,把电极面容量做到接近3mAh/cm2的水平。而且,由于反应机理复杂,副反应也较多,即使在扣式威尼斯中,这两种材料也无法真正发挥出它的理论比容量,进行稳定循环。因此,即便手机威尼斯能量密度想提高一倍,都是任重而道远的。

 

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