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谈到了锂离子电池发明的历史，这为便携式电子产品的发展提供了强大的动力。 每年，技术媒体都会向我们通报即将到来的能源革命-再过一两年，世界就会看到具有出色特性的电池。 随着时间的流逝，革命不可见，在我们的手机，笔记本电脑，直升机，电动汽车和智能手表中，仍然安装了各种改装的锂离子电池。 那么，所有创新电池都去了哪里，锂离子电池还有什么替代品吗？
什么时候等待电池革命？
很抱歉让您难过，但已经过去了。 它只持续了几十年，因此几乎没有引起注意。 事实是，锂离子电池的发明是化学电池发展的高潮。
化学电流源基于元素之间的氧化还原反应。 在周期表中，只有90种自然元素可以参与这种反应。 因此，锂被证明是具有极端特性的金属：最低质量，最低电极电势（–3.05 V）和最高电流负载（3.83 A·h / g）。
锂是地球上最好的阴极活性物质。 使用其他元素可以改善一个特征，而不可避免地恶化另一个特征。 这就是为什么锂电池实验已经进行了30年的原因-通过结合材料（其中总是含锂），研究人员正在制造具有正确特性的类型的电池，这些电池的应用范围非常狭窄。 上世纪80年代问世的带有锂钴氧化物阴极的优质旧电池由于电压，电流负载和能量密度的完美结合而仍被认为是最普通和通用的电池。
因此，当下一次通过媒体传播的初创公司大声地向世界承诺世界将发生一场能源革命时，科学家们对新电池存在一些尚待解决的问题和局限性保持沉默。 它们通常无法解决。
“革命性”电池的主要问题
如今，有许多类型的电池具有不同的化学成分，包括不使用锂。 每种类型都有自己的特征，已经在某种类型的技术中找到了应用。 轻巧，薄型和高压锂钴电池在紧凑型智能手机中早已被规定使用。 强壮，功能强大但非常大的钛酸锂电池可用于公共交通。 低容量的耐火磷酸锂电池在电厂中被用作大型阵列。
但仍然最需要消费移动设备的锂钴电池。 它们满足的主要标准是3.6 V的高压，同时保持每单位体积的高能量强度。 不幸的是，许多其他类型的锂电池的电压要低得多-低于3.0 V，甚至低于2.0 V-无法通过它为现代智能手机供电。
通过将电池组合成电池，可以补偿任何特性的下沉，但是尺寸会增加。 因此，如果下一代具有神奇特性的有前途的电池不适合在移动设备或电动汽车中使用，则几乎可以保证其未来已经确定。 为什么我们需要寿命为10万次且快速充电的电池，而您只能用双手戴手表？
实验失败
并非所有下面介绍的电池都可以认为是不成功的-有些电池需要很长的开发时间，有些可能不是在智能手机中，而是在专用设备中发现了它们的应用。 尽管如此，所有这些发展都被定位为智能手机中锂离子电池的替代品。
2007年，一家美国初创公司莱顿能源（Leyden Energy）从几家风险投资基金获得了450万美元的投资，以开发
新一代锂离子电池 。 该公司使用了一种新的电解质（盐中的溶剂）和一个硅阴极，这显着提高了能量强度，并提高了对高达300°C的高温的抵抗力。 基于这种开发方式制造笔记本电池的尝试失败了，因此莱顿能源公司转向了电动汽车市场。
尽管不断注入数千万美元，但该公司仍无法建立具有稳定特性的电池生产-指示器在复制品之间浮动。 如果公司有更多的时间和资金，也许在2012年，它将不必出售设备，专利，也不必隶属于另一家能源公司A123 Systems。
锂金属电池不是新的：它们包括任何不可充电的锂电池。 SolidEnergy已着手制造可充电锂金属电池。 新产品的能量强度是锂钴电池的两倍。 也就是说，在以前的体积中，可以容纳两倍的能量。 他们使用锂金属箔代替了阴极上的传统石墨。 直到最近，由于树枝状晶体的生长（在木质金属结构的阳极和阴极上生长），锂金属电池极具爆炸性，导致短路，但电解液中添加的硫和磷有助于消除树枝状晶体（尽管SolidEnergy尚无此技术） ） 除了非常高的价格外，SolidEnergy电池的已知问题还包括长时间充电-每小时容量的20％。
比较相同容量的锂金属和锂离子电池的尺寸。 资料来源：SolidEnergy Systems
硫镁元素的积极研究始于2010年代，当时丰田汽车宣布了这一领域的研究。 这种电池中的阳极是镁（一种优质的但不等同于锂的类似物），阴极由硫和石墨组成，电解质是NaCl的普通盐溶液。 电解质的问题在于它会破坏硫磺并使电池无法工作，因此您必须在使用前立即填充电解质。
丰田工程师用非亲核性粒子制造了一种电解质，该亲核性粒子对硫没有腐蚀性。 事实证明，稳定的电池仍无法长时间使用，因为经过50次循环后，其容量下降了一半。 2015年，锂离子添加剂被集成到电池中，再过两年，电解质得到了更新，使电池寿命达到了110次循环。 继续使用这种喜怒无常的电池进行工作的唯一原因是较高的理论能量强度（1722 Wh / kg）。 但事实证明，到成功的原型出现时，将不再需要镁硫元素。
发电代替储能
一些研究人员提出相反的建议：不存储，而是直接在设备中产生能量。 是否可以将智能手机变成小型电站？ 在过去的十年中，已经进行了几次尝试，以使小工具摆脱了通过市电充电的需要。 从我们现在对智能手机充电的方式来看，这些尝试均未成功-让我们回顾最“成功”的发明。
甲醇直接分解燃料电池（DFMC）。 在2000年代中期开始尝试将甲醇燃料电池引入移动技术。 此时，从长寿命的按键式电话过渡到要求苛刻的大屏幕智能手机-锂离子电池最多可以使用两天，因此即时充电的想法似乎非常有吸引力。
在燃料电池中，聚合物膜上的充当电解质的甲醇被氧化为二氧化碳。 氢质子传递到阴极，与氧气结合形成水。 细微差别：有效的反应需要约120°C的温度，但可以用铂催化剂代替，这自然会影响元素的成本。
事实证明不可能在电话机壳中安装燃料电池：燃料箱太宽。 因此，在2000年代末，DFMC的概念以便携式电池（移动电源）的形式形成。 2009年，东芝推出了名为Dynario的串行甲醇移动电源。 它重280克，类似于30,000 mAh的现代便携式电池，也就是手掌大小。 在日本，Dynario的价格令人印象深刻，为328美元，一套五瓶，每瓶50毫升甲醇的价格为36美元。 一个“加油”需要14毫升，其容量足以通过USB以500 mA的电流为按钮式电话充两次电。
东芝Dynario加油和操作视频
事实证明，发行3000份实验性批复并没有超出其范围，因为燃料电池真是太有争议了：它本身很昂贵，耗材也很昂贵，而且一次电话充电的成本很高（一个按钮大约需要1美元）。 此外，甲醇是有毒的，在某些国家/地区甚至需要获得销售和购买的许可证。
透明的太阳能电池板。 太阳能电池板是提取无尽（本世纪）太阳能量的极佳解决方案。 这样的面板效率高，成本高并且功率太低，而它们却是最简单的发电方式。 但是，人类真正的梦想是透明的太阳能电池板，可以在房屋，汽车和温室的窗户中安装玻璃板，而不是安装玻璃。 可以这么说，将商务与娱乐相结合-发电和自然采光。 好消息是存在透明的太阳能电池板。 不好的是，它们实际上是无用的。
开发商和密歇根大学展示了一个没有框架的透明面板。 资料来源：YouTube /密歇根州立大学
为了“捕获”光子并将其转化为电能，太阳能板原则上不能是透明的，但是这种新的透明材料可以吸收UV和IR辐射，将所有内容转换为红外范围，并将其移到面板边缘。 在透明面板的边缘，安装了普通的硅光伏面板作为框架，以捕获在红外范围内提取的光并发电。 该系统只能以1-3％的效率运行。现代太阳能电池板的平均效率为20％。
尽管该解决方案的效果不尽人意，但著名的手表制造商TAG Heuer于2014年发布了高端价签电话Tag Heuer Meridiist Infinite，其中，由Wysis制造的透明太阳能电池板安装在屏幕顶部。 甚至在宣布智能手机解决方案的过程中，Wysis承诺以1 cm2的屏幕提供约5 mW的太阳能电荷，这非常小。 例如，iPhone X的屏幕仅为0.4W。考虑到Apple智能手机的完整适配器的功耗低到了5 W，显然您不能用0.4 W的功率对其进行充电。
顺便说一下，它不能与甲醇一起使用，但是氢燃料电池获得了生命的印证，成为丰田Mirai电动汽车和东芝移动发电厂的基础。
发生了什么：锂离子电池成功的实验
那些不急于改变世界，而只是致力于改善电池个性的人们取得了成功。 更换阴极材料会极大地影响电压，能量强度和电池寿命。 接下来，我们将讨论常规开发，这些开发再次确认了锂离子技术的普遍性-对于每个“革命性”开发，都有一个更高效，更便宜的现有类似物。
锂钴（LiCoO2或LCO）。 工作电压：3.6 V，能耗高达200 W·h / kg，使用寿命长达1000个循环。 石墨阳极，钴酸锂阴极，上述经典电池。 这种组合最常用于需要高单位体积能耗的移动设备电池中。
锂锰（LiMn2O4或LMO）。 工作电压：3.7 V，能耗高达150 W·h / kg，使用寿命长达700个循环。 甚至在开始销售锂离子电池之前就已经开发出第一种有效的替代成分。 在阴极处，使用了锂锰尖晶石，这可以降低内部电阻并显着增加输出电流。 锂锰电池用于要求苛刻的电流设备，例如电动工具。
锂镍锰钴合金（LiNiMnCoO2或NMC）。 工作电压：3.7 V，能耗高达220 W·h / kg，使用寿命长达2000个循环。 镍，锰和钴的组合非常成功，电池增加了能量强度和给定电流的功率。 在相同的“电池组”中，18650容量上升到2800 mAh，最大输出电流高达20A。NMC电池安装在大多数电动汽车中，有时会用锂锰电池稀释，因为此类电池使用寿命长。
根据制造商的计算，新的NMC电池电动汽车Nissan Leaf将使用22年。 以前的LMO电池容量较小，磨损速度更快。 资料来源：日产
磷酸铁锂（LiFePO4或LFP）。 工作电压：3.3 V，能耗高达120 W·h / kg，使用寿命长达2000个循环。 该成分发现于1996年，有助于增加锂离子电池的电流强度，并延长锂离子电池的寿命，最多可充电2000次。 磷酸锂电池比以前的电池更安全，可以更好地承受过度充电。 只是它们的能量强度不适合移动设备-当电压升至3.2 V时，能量强度相对于锂钴组合物至少降低了一半。 但是，另一方面，LFP显示出较少的自放电，并且对低温具有特殊的耐力。
一组磷酸锂电池，总容量为145.6 kWh。 这种阵列用于安全地存储来自太阳能电池板的能量。 资料来源：Yo-Co-Man / Wikimedia
锂镍钴铝氧化物（LiNiCoAlO2或NCA）。 工作电压：3.6 V，功耗高达260 W·h / kg，使用寿命长达500个循环。 与NMC电池非常相似，它具有出色的功耗，适用于标称电压为3.6 V的大多数设备，但是高成本和适中的寿命（约500个充电周期）不能使NCA电池击败竞争对手。 到目前为止，它们仅在某些电动汽车中使用。
圣洁的对决-特斯拉Model S电池NCA
钛酸锂（Li4Ti5O12或SCiB / LTO）。 工作电压：2.4 V，能耗高达80 W·h / kg，使用寿命长达7000个循环（SCiB：高达15,000个循环）。 锂离子电池中最有趣的一种，其中的阳极由钛酸锂纳米晶体组成。 晶体有助于将阳极的表面积从石墨中的3 m2 / g增加到100 m2 / g，即超过30倍！ 钛酸锂电池充满电的速度比其他电池快五倍，并提供十倍的电流。 然而，钛酸锂电池具有其自身的细微差别，从而限制了电池的范围。 即，低电压（2.4 V）和能耗比其他锂离子电池低2-3倍。 这意味着要达到类似的容量，必须多次增加钛酸锂电池，这就是为什么您不能将其插入同一部智能手机。
东芝SCiB模块的容量为45 Ah，额定电压为27.6 V，放电电流为160 A（脉冲最大为350 A）。 它重15公斤，鞋盒尺寸：19x36x12厘米。资料来源：东芝
但是，钛酸锂电池立即进入运输系统，在该运输系统中，快速充电，加速过程中的大电流和耐寒性很重要。 例如，电动汽车本田Fit-EV，三菱i-MiEV和莫斯科的电动巴士！ 在项目开始时，莫斯科公交车使用了不同类型的电池，即使在沿路线的第一通道中间也造成了问题，但是在安装东芝钛酸锂电池后，不再有关于电动公交车放电的消息。 东芝SCiB电池由于在阳极中使用了钛铌合金，因此仅需5分钟即可恢复90％的容量，这是公交车在有充电站的最后一站停泊的允许时间。 SCiB电池可以承受的充电周期数超过15,000。
东芝钛酸锂电池的泄漏测试。 它会着火吗？
能量奇点
半个多世纪以来，人类一直梦想着将原子能放入电池中，这种电池可以提供多年的电力。 实际上，早在1953年，人们就发明了一种β伏安元素，其中，由于放射性同位素的β衰变，电子将半导体原子转化为离子，从而产生了电流。 这种电池例如在起搏器中使用。
那智能手机呢？ 到目前为止，原子元素的功率可以忽略不计，它以毫瓦甚至微瓦为单位。 即使在网上商店也可以购买这种电池，但是，即使是臭名昭著的手表也无法使用。
等待原子电池多长时间？ 请使用City Labs P200-2.4 V，可使用20年，但是，功率最高为0.0001 W，价格约为8000美元。 资料来源：城市实验室
自从稳定的锂离子电池发明以来，已经有十多年的历史了。 关于突破性电源的最新消息也许会成为预言，到2030年代，我们将告别锂电以及对手机进行日常充电的需求。 但是目前，锂离子电池决定了可穿戴电子产品和电动汽车领域的进步。