标签: 电池技术

　　上周四，英国剑桥大学研究人员公布的一份文件显示，他们已经开发出了一种锂空气电池，成功解决这种技术中的部分实际问题——尤其是化学上的不稳定问题。在此之前，由于这种化学上的不稳定，锂空气电池会显示出性能迅速衰退的现象。他们所研制出的锂空气电池具有较高的能量密度，并且能够循环充电2000次以上。该电池在理论上的能源使用效率超过90%。 　　没有哪位化学家或工程师会说，锂离子电池是完美的。随着电动汽车的越来越普及，研究人员也开始将精力集中在研究锂空气电池上。因为锂空气电池比锂离子电池轻得多，更轻的汽车意味着更长的续航里程。可以肯定的是，锂空气电池在理想情况下具有更高的能量密度。理论上说，只有这种电池能让电动汽车在不必携带巨大而笨重的电池组的情况下，拥有可媲美汽油车及柴油车的续航里程。 仍需10年才能投入商用 　　在一份新闻稿中，剑桥大学的科学家们表示，虽然他们的研究已经成功克服了锂空气电池技术中最大的障碍，但是将锂空气电池用于商业用途至少还需要10年的时间。 　　锂空气电池的基本化学原理十分简单。放电时，从负极出发的锂离子在正极与空气中的氧气反应，产生一种叫过氧化锂的固体产物，填充于碳电极的孔隙中。充电时，化学过程逆转，过氧化锂被分解释放氧气。 　　锂空气电池的原型其实在很早之前就已经被成功制造了出来，该电池的蓄电能力理论上是目前市场上锂离子电池的10倍，而由于锂金属在化学上具有极其不稳定性，实际应用时存在多个重大缺陷。如何可靠地令上述反应在许多周期内反复发生，则是该技术面临的最大挑战。 　　电池的反应产物过氧化锂及反应中间的产物超氧化锂都有较高的反应活性，会分解电解液，因此几个充放电循环后电池电量就会急剧下降，电池寿命较短;由于过氧化锂导电性能差，充电时很难分解，需要很高的充电电压，这还会导致分解电解液及碳电极等副作用。 　　放电时，过氧化锂会堵塞多孔碳电极，导致放电提前结束;充电时，锂金属负极表面会呈树枝状向正极生长，最终可能导致短路，存在安全隐患;锂金属与空气中的水蒸气、氮气、二氧化碳都会发生反应，导致负极材料消耗，最终使电池失效。 化学稳定性得到提升 　　剑桥大学的研究人员改用多层次的大孔石墨烯作为正极材料，利用水和碘化锂作为电解液添加剂，最终产生和分解的是氢氧化锂，而不是此前电池中的过氧化锂。氢氧化锂比过氧化锂要稳定，大大降低了电池中的副反应，提高了电池性能。其中碘化锂除了帮助分解氢氧化锂外，似乎还起到了保护锂金属负极的作用，使电池对于过量的水有一定的免疫性。没有它，同量的水会直接使电池失效，完全无法充放电。由于石墨烯氧化物具有多孔性，研究人员估计这种电池可循环超过2000次。 　　研究人员在新闻发布会上表示，他们将锂空气电池中的电压间隙降低到了0.2V，成功提高了电池性能和效率。他们所开发出的锂空气电池模型蓄电能力约为3000瓦时/千克，是现有锂离子电池的约8倍，可循环充放电上千次，首次循环充放电效率高达93%，即充入电池中93%的能量在放电时都能被使用。 仍有技术难关需攻克 　　但当前锂空气电池仍然存在一些问题。电压间隙的减小以及石墨烯氧化物电极的大容量导致其只能容纳较小倍率的充放电，位于电池负极的金属锂有时仍会形成影响电池性能的树突。而且，正如我们在前文中所提到的，空气里不仅仅有氧气，在空气中的其他的化合物也可能导致锂空气电池不稳定。 　　而这些问题的尚未解决，也意味着锂空气电池目前还是不能真正的投入商用。研发新的电池技术是很容易的，但是要将其真正投入使用还是需要攻克许多技术上的难关。研究人员表示他们目前正与多家公司合作，力求尽快推进这项技术。 致尚微电子 微信公众号：cnzasem

　　近日《科学日报》报道，美国斯坦福大学进行的一项对锂电池电极里微小粒子的行为研究显示，对电池快速充电然后用于高功率快速耗电的工作对电池的损伤可能没有研究人员预想的那么糟糕，而缓慢充电和耗电所带来的益处可能也被过度夸大。这项研究结果挑战了有关“超级充电”电池比缓慢充电对电极要求更高的盛行观点，来自美国斯坦福大学和美国能源部 SLAC 国家加速器实验室斯坦福大学材料与能源科学（SIMES）的研究人员这样说道。他们还表示科学家们或可能可以改变电池电极或者改变充电方式以提升统一的充电和放电过程，从而延长电池寿命。   图1 　　“在充电和放电过程中电极里发生的化学过程的细节只是确定电池寿命的众多因素之一，但这一因素在这项研究之前都尚未被完全理解，” 研究高级作者、美国斯坦福大学材料科学和工程学院的助理教授、SIMES 的阙宗仰(William Chueh)这样说道。“我们发现了研究电池老化的新角度。”这些研究结果可以直接应用于很多现代商业锂电池所使用的氧化物和石墨电极。 　　这项研究被发表在 9 月 14 日的期刊《自然材料》上。研究小组还包括来自美国麻省理工学院、美国 Sandia 国家实验室、韩国三星尖端技术研究所和美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究合作者。 　　 观察电池片里的离子 　　电池损耗的一个重要原因便是在充电和放电过程中，正负电极在吸收和释放电解质里的离子时自身的膨胀和收缩。在这项研究里科学家们研究了由几十亿个磷酸铁锂纳米粒子组成的正电极，如果大多数或者全部离子都活跃参与充电和放电过程，那么它们会相对统一的吸收和释放离子。但是如果只有少部分粒子吸收了所有离子，那么它们更可能破裂和损坏，减少电池的寿命。 　　有关纳米粒子的特性和行为，与之前的研究产生了互相冲突的观点。为了进一步调查真相，研究人员制造了小型硬币电池，利用不同的电流对它们进行不同时长的充电，然后迅速将它们分离并冲洗组件从而阻止充电/放电过程。随后科学家们将电极切成非常薄的片并将它们送至伯克利国家实验室利用高级光源同步加速器的密集的X设线进行检测。 　　 快速放电的新见解 　　“我们一次可以研究上千个电极纳米粒子并拍摄充电和放电过程中不同阶段的快照，”研究首席作者、斯坦福大学的研究生李一洋（Yiyang Li）这样说道。“这项研究是首项在不同充电和放电条件下对充放电过程进行的详细全面调查。” 　　通过利用 MIT 研发的一个成熟模型分析数据，研究人员发现在充电过程中只有少部分纳米粒子吸收和释放离子，即使这个过程发生的非常迅速。但当电池放电时，有趣的事发生了：随着放电速率增加超过一定的极限，越来越多粒子开始同步吸收离子，转变成一个更加统一、损害较少的模式。这表明科学家们可能可以扭曲电极材料或者这个过程从而在保证较长电池寿命的前提下，或者更快的充电和放电速率。 　　据李表示，接下来一步便是在上百次甚至是上千次的循环里运行电池电极从而模拟真实世界的情况。科学家们希望能够拍摄电池在充电和放电过程中的快照，而非中断这个过程并将电池组件分离。这应该可以产生更加现实的见解，且这个过程可以在同步加速器里，例如 ALS 或者 SLAC 斯坦福同步加速器辐射光源里进行。李还表示目前研究小组正在与工业界密切合作，调查这些发现将如何应用于运输和电子消费品领域。 　　这项研究得到了韩国三星尖端技术研究所全球创新拓展项目、斯坦福工程学院和普雷科特能源学院、三星-MIT 能源应用的材料设计项目以及美国能源部的资金支持。    

昨天在回家的时候，在想一个事情，当前蓬勃发展的锂电池，在各个产品之中，有采用一体化设计的，也有采用分离式的。准备开篇文章来谈谈这个事情的看法。     最为明显的属于IPHONE和NOKIA的设计PK，仅从电池的使用上来考虑问题。     继而考虑，在汽车之中，电池组的一体化和分散布置的情况。将电池放在用电产品里头，看上去有很多的优点：   1. 电池正负极设计的简单性：由于不需要分离的连接，仅仅需要考虑有限的组装需求，很容易便可以设计成可靠的连接。因为连接的接口不会分离，不会遭受氧化、水分或者其他物质的侵袭。     2. 电池信息的可记录性：从电池开始用，充多少次，充多少电，都可以通过内部的电路进行记录。反之，可更换的电池，则会遭受不明信息的问题，只能通过其电压进行判别。这就加大了高放电程度的可能性。   3. 由于一颗电池始终由同一个负载进行使用，因此相对而言，前次从充满到放完，可以将数据进行记录。更容易实现对电池的优化并延长其使用寿命。由于此类设备的电流较小，比较容易检测，因此很容易达到很高的检测精度。所以SOC的精度保证是比较容易的。   4. 可避免一定的安全问题。如果手机使用仿冒电池的话，安全问题是很难解决的。一体化电池至少出事情是本身的电池问题，不容易背黑锅。      这是单个电池的情况，如果由多个电池的电池包，问题相似。可以从IPHONE考虑到MAC。     当这个问题带入至汽车动力电池的时候，所有的问题会进一步凸显。特别是连接可靠性的问题，一个大的电池包，在移动过程中出现各种意外，可能会导致很严重的后果。汽车动力总成系统的大功率要求，意味着很高的电流（百安级别），在这个条件下，接触不良将会导致严重的发热和功能问题。       所以电池的分包设计，在现在的若干方案中很少被考虑，连接的问题占据较大的因素。   PS：明天出差去了，不知道这篇文章什么时候能够写完，近日一直在为Mike写篇BMS的简介，思路也在这方面引入，相信马上有几个短篇可以展示。   By Alan   Email:yulzhu@gmail.com

    我其实花了很多的图片和Flash介绍来整理其区别，为了让大家更好的认识这些车的工作情况，和可能的整车策略，我找了丰田和大众等公司的技术视频给大家参考一下。 丰田的Hyrbid 该款的PHEV 奥迪的Q5

Team里面来了一位新同事，还没毕业先潜入进来实习。由于租的房子在一条路上，住的相近来回都是一起，聊了一些事情。 他的导师“老板”是搞燃料电池的，接项目做汽车。令他困扰的问题是，导师是搞自动化理论工程出身，觉得所有的工程问题异常简单，因此也造就他的“悲剧”。他举了一个很形象的例子，由于燃料电池需要高压的氢气，但是目前某些传感器对压力的变化是需要响应时间的，因此如果不注意这个问题，就会在初始加压的时候形成一个时间偏差，造成诊断错误。类似的问题有很多，可能从仿真图和结果看来异常顺利的东西，到了实现阶段，就会处处碰壁。这其实是国内工科学校，重大项目的一个写照，都是有成果的，实物论文都不差，但是没有工程化的经验，就直接开向了产业化。 国内发展燃料电池汽车，投入了很多钱，但成效很低。而媒体，报道，论文的论调几乎都是片面的，事实上，普通的民众和不同行业的工程师都只能看到一些散乱而肤浅的信息，并且90%的人其实并不关心具体的东西。燃料电池车其实牵涉的东西很多，包括车本身的问题（储氢系统，燃料电池系统-动力电池和高压电池系统 -储能电池系统+电机+整车控制），还有氢气站和加氢设备，甚至氢气的制备、提纯、储存、运输、加压。西班牙近年的Expo（不明是不是山寨的），光是运营两个站，这些钱都是很多而且没人买单。 由于众所周知的原因，高校学术工程创造了很多的公司。而国内公司，大致可以分为垄断的和不垄断的。垄断的呢，钱都赚不完，因此不关心也不在意工程技术的真正提高，很多时候也顺应着那句话，三流公司做产品、二流公司做品牌、一流公司做标准，而转向了对标准的垄断和定义。插一句，即使是官方的让国人“欢欣鼓舞”的航天技术，从生产效率（零件企业的整合），成本（成品率），环保（火箭的燃料）部分角度看，仍旧处在初级阶段，国内的优势在于，花再多的钱也有 “人”买单。不垄断的公司，基本只能靠短线经营和压榨员工过活。烟烟的广州中山大学的本科同学，在苏宁工作三年竟然只有1800多的工资，靠加班才能难道接近3000元（无周六，每天加班3～5小时）。 电子工程技术，大概可以从两个角度衍生。一个方面，就是各种模拟和数字电路的细节应用，需要工程师挖的很深，可参见ni_labview关于仪表中模拟技术的吐槽吧；另外一个方面，就是系统的拆分，理解和整合，包含了多学科的整合。以电动汽车为例，所有的问题几乎都集中于能量单元，但能量单元不仅仅是电池组，从充电器，电池管理器，到电机功率与电池组的容量匹配，到电池组在车内的布置和优化，再到单体电池的材料，制造工艺，包装等等的问题。我相信，这是一个从大到小的逐步定义的过程，并不是从下往上定义的；并且通过对单个方面的革新和优化影响整个系统的功能。我们能看到的，就是对前者的模糊化，对后者的简单化。 一大一小，诸位读者可确定自己的发展方向。 胡适 《差不多先生传》 你知道中国最有名的人是谁？ 提起此人，人人皆晓，处处闻名。他姓差，名不多，是各省各县各村人氏。你一定见过他，一定听过别人谈起他。差不多先生的名字天天挂在大家的口头，因为他是中国全国人的代表。 差不多先生的相貌和你和我都差不多。他有一双眼睛，但看的不很清楚；有两只耳朵，但听的不很分明；有鼻子和嘴，但他对于气味和口味都不很讲究。他的脑子也不小，但他的记性却不很精明，他的思想也不很细密。 他常常说：“凡事只要差不多，就好了。何必太精明呢？” 他小的时候，他妈叫他去买红糖，他买了白糖回来。他妈骂他，他摇摇头说：“红糖白糖不是差不多吗？” 他在学堂的时候，先生问他：“直隶省的西边是哪一省？” 他说是陕西。先生说，“错了。是山西，不是陕西。”他说：“陕西同山西，不是差不多吗？” 后来他在一个钱铺里做伙计；他也会写，也会算，只是总不会精细。十字常常写成千字，千字常常写成十字。掌柜的生气了，常常骂他。他只是笑嘻嘻地赔小心道：“千字比十 字只多一小撇，不是差不多吗？” 有一天，他为了一件要紧的事，要搭火车到上海去。他从从容容地走到火车站，迟了两分钟，火车已开走了。他白瞪着眼，望着远远的火车上的煤烟，摇摇头道：“只好明天再走了，今天走同明天走，也还差不多。可是火车公司未免太认真了。八点三十分开，同八点三十二分开，不是差不多吗？” 他一面说，一面慢慢地走回家，心里总不明白为什么火车不肯等他两分钟。 有一天，他忽然得了急病，赶快叫家人去请东街的汪医生。那家人急急忙忙地跑去，一时寻不着东街的汪大夫，却把西街牛医王大夫请来了。差不多先生病在床上，知道寻错了人；但病急了，身上痛苦，心里焦急，等不得了，心里想道：“好在王大夫同汪大夫也差不多，让他试试看罢。”于是这位牛医王大夫走近床前，用医牛的法子给差不多先生治病。不上一点钟，差不多先生就一命呜呼了。 差不多先生差不多要死的时候，一口气断断续续地说道：“活人同死人也差……差……差不多，……凡事只要……差……差……不多……就……好了，……何……何……必……太……太认真呢？“他说完了这句话，方才绝气了。 他死后，大家都称赞差不多先生样样事情看得破，想得通；大家都说他一生不肯认真，不肯算帐，不肯计较，真是一位有德行的人。于是大家给他取个死后的法号，叫他做圆通大师。 他的名誉越传越远，越久越大。无数无数的人都学他的榜样。于是人人都成了一个差不多先生。——然而中国从此就成为一个懒人国了。