给电池充电

在当今的尖端技术环境中，很少有技术很难找到新的性能水平。电池技术就是其中之一。除了少数实验性产品外，电池及其性能指标相对平淡。

当然，已经取得了一些进展。但与晶体管、存储器、I/O甚至电源管理等其他技术相比，电池技术的进步是缓慢的，而且只是渐进式的。此外，多年来甚至没有任何新的电池技术。

电池研究几乎停滞不前。相反，电池领域的研究正在扩大。随着万物互联(Internet of Everything)的出现，对高密度、微型便携式电源的需求将急剧上升。对高密度、小尺寸可充电电池的需求将是许多新型物联网设备(如尘埃、互联网灰尘和远程微型传感器)面临的最大挑战之一。

然而，由于可充电电池的物理指标，进展仍然缓慢。因为它们是离子型的，并且依赖于化学反应，所以可以使用的材料和可以使用的过程都是有限制的。

由于我们真的只知道将成为物联网一部分的广泛设备中的一些指标，在这个阶段，试图将电池技术与设备交叉列表更像是一种预测，而不是对现实的预期。因此，本文将重点介绍随着物联网的发展可能出现的电池技术，包括锂离子、锂硫、镁离子和镁硫。什么样的技术子集将被应用到什么样的设备中，这将在以后的文章中保留。

虽然电池跨越了许多不同的技术，从碱性，到锌，到汞，到铅酸，到镍镉，到镍氢，到各种口味的锂，甚至是生物化学，但对IoE最感兴趣的技术将是基于离子的。(作为参考，附录一列出了比较常见的技术的特点。)

电池技术101
所有的电池化学和技术，无论是初级的还是次级的，本质上都是化学的，这就是电池产生电力的方式。简单地说，电解质是连接阳极和阴极的介质，它完成了电流。当电解质中的两个或多个离子与阳极结合时，阳极就会发生氧化反应。反应释放一个或多个电子。

同时，当离子、阴极物质和自由电子结合时，阴极会发生还原反应。基本上，阳极中的反应产生了电子，这些电子被阴极吸收，产生了电(见图1)。

图1:Li-ON电池截面。

锂离子(Li-ON)的一般化学反应公式如下:

正极反应的前半部分是:

负极板反应的后半段是

这些反应将类似于任何离子过程。当然，对于切向材料，公式修正器将会改变。

这些公式是这个过程的数学表示。简而言之，他们认为锂离子是从阳极移动到阴极的正离子，在那里它被电离形成Li，并获得一个电子(Li+)。电解质可以变化，但通常是由锂盐(LiPF^6, LiBF^4, LiClO^4，例如)在有机溶剂载体，通常是醚。阳极一般是碳，如石墨。阴极通常是锂钴氧化物(LiCoO²)。这种配置具有3.6 V的本征电压，这是锂电池的参考电压。

锂技术的前沿
由于一些物联网设备的极限(超轻、小、移动)，它们的电池技术将不得不采取新的方向。高能量密度、超小尺寸和长寿命是这些器件的三个主要要求。

幸运的是，在过去的几年里，相当多的资源被投入到电池的开发中。结果正在显现。虽然其中大多数还在图纸上，但有些已经有了原型。在这一点上，似乎在未来五年内会出现一些真正的进步。

提高锂离子棒
锂离子阵营正在酝酿一些有趣的进展，因为锂离子电池不会很快消失。最大的挑战在于这种电池技术的关键因素——容量和充电速率，以及如何改进它们。

一种新方法有望通过解决电荷密度和充电率来提高锂离子充电寿命并增加容量和循环时间。如果成功的话，改善这些参数有可能显著增加电池寿命并缩短充电周期。这意味着电池寿命更长，充电速度更快。另一个好处是可以减少电池足迹，使它们更接近同样在画板上的微型IoE设备的领域。

在当今的可充电锂电池中，碳基石墨烯薄片(阳极由其制成)可以将六个碳原子与一个锂原子结合。多年来，这一直是标准阳极材料。

一种新的方法是用替代材料缩小这一比例。此外，锂离子沿着石墨烯片移动到它们之间的休息区域也存在异常。这两个参数是容量和充电率的主要限制因素。

实验已经用硅取代了石墨烯。硅能将四个碳原子与一个锂原子结合。虽然这似乎违反直觉，但这并不是因为硅原子比碳原子大。数学证明了这一原理，这意味着从理论上讲，硅阳极能够存储超过石墨(包含多层石墨烯)10倍的能量。然而，硅有一个小问题——它的延展性太大，在充电过程中会膨胀和收缩。这个过程会在短时间内分解和破坏硅，使电池变得无用。因此，虽然硅解决了第一个问题，即容量，但这被硅的不稳定性所否定。

为了解决这个问题，研究人员开发了一种新的方法，在石墨烯薄片之间放置硅。这两种材料的结合可以让更多的锂离子积聚在电极上，也可以稳定硅。

第二个技巧是在石墨烯上制造微小的平面内缺陷(孔)，这样离子就可以穿过石墨烯，而不是沿着它移动。这样，更多的离子更快地到达阳极，减少充电时间。这些技术的结合提高了能量密度，减少了硅碎片的负面影响，并缩短了充电时间。

这是正在进行的提高锂离子性能的研究的一个例子。还有其他领域的研究，重点是在阴极技术和电解质方面的类似改进。此外，纳米管技术有望取得进一步进展，但这仍处于实验阶段。

锂离子的衍生品

锂硫．可充电锂的一个更令人兴奋的发展领域是锂硫(Li-S)技术。

锂硫电池有可能将锂离子电池技术甩在身后。电池的金属氧化物成分一直备受关注。方向是使用硫磺。硫价格便宜，储量丰富，原子比钴重不到一半。在给定体积内，锂离子的容量是钴氧化物的两倍多。

然而，也存在一些挑战。锂硫化合物很难管理。硫有与锂结合的倾向。当它这样做时，它会形成一种化合物，结晶并粘住细胞的成分。在反复循环下也有开裂的倾向。这些化合物往往会从细胞内的位置泄漏出来。到目前为止，这些问题导致电池在几十次循环后就报废了。

要解决第一个问题，答案是设法稳定阴极。一些研究人员尝试的一种方法是将硫加热到185摄氏度，这将导致元素的8个原子环融化成长链。接下来，他们添加了二异丙烯苯(DIB)，这是一种碳基塑料前体。这个过程将硫链连接在一起。其结果就是所谓的共聚物。

通过添加DIB，可以在一定程度上防止锂硫化合物的开裂，从而防止锂硫化合物结晶。虽然这种方法有其优点，但总体上的成功是微不足道的。在测试中，500次循环后，电池只保留了原来容量的一半。在某些应用中，浮动是主要需求，这可能足够了，但对于IoE设备(远程或自主设备，定期循环)来说，这太少了。也有类似的研究正在进行中，阴极稳定，使用其他材料。

为了解决第二个问题，一个载体的研究人员开发了微观的空心碳壳(导电)，表面涂有一种聚合物，旨在包含锂- s化合物。实验似乎奏效了。在测试中，这些结构能够保持比锂离子电池(200 mAh/g)更高的储能容量(630 mAh/g)。在600次快速充放电循环中，能量密度保持一致。

在全球各地的其他设施也在进行各种外围轨道的工作。

镁离子．另一项非常有前途的电池技术是镁离子电池。这项技术令人兴奋不已，尽管它只是理论上的。目前还没有开发出可行的模型。然而，它能提供的承诺是，能量密度是锂离子的12倍，充放电效率提高了5倍。这使得这项技术值得关注。

当然，这并非没有挑战。有利的一面是，镁元素相当丰富，而且通常很便宜。它也比锂更容易处理。与Li不同的是，Li是1比1的离子-电子转移，Mg是2个电子/离子。从理论上讲，出了门，容量翻了一番。

在缺点方面，它比基于锂的技术有更多的问题，最重要的是很难进行电池结构的镀板和剥离。此外，双重电子背包减慢了分子通过电解质和电极的速度。因此，人们正在进行一系列的研究，以寻找合适的电解质，以及诸如液体电极之类的前沿发展。这适用于所有离子电池技术，而不仅仅是镁。

预计未来几年电池技术将取得巨大进步。其中大部分将专注于汽车等大型能源应用，但随着物联网的展开，将这些新技术扩展到微观层面的压力将会出现。

结论
本文讨论的大部分内容都集中在电动汽车电池等应用上，以及比小型物联网设备需要更高能量来源的应用。使用电池技术，更容易大规模工作，取得成功，然后尝试缩小规模。今天，汽车和工业领域也有更多的资金。

人们迫切需要使用小尺寸的高密度、低成本的储能设备。它必须安全，易于制造，并着眼于不断发展的物联网。因为物联网更多的还是一个概念，而不是现实，目前的发展是在现有的领域，但预计未来几年在微观端会有显著的进展。

附录A

来源:batteryuniversity.com

其他相关指标

•循环寿命基于电池定期维护。如果不采用周期性的全放电循环，可能会使循环寿命降低三分之一。

•循环寿命也取决于放电深度。浅放电比深放电提供更多的循环。放电在充电后立即达到最高，然后逐渐下降。

•NiCd容量在前24小时内下降10%，之后每30天下降约10%。自放电随温度升高而增加。

•内部保护电路通常每月消耗3%的储能。

•1.25V为开槽电压。1.2V是常用的数值。细胞之间没有区别;它只是一种评级方法。

•能够大电流脉冲只适用于放电;充电温度范围更有限。赡养费可能以“均衡”或“超额”收费的形式收取。

•商用便携式设备的电池成本是由电池价格除以循环寿命得出的。不包括电费和充电器的费用。