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它们正在清除这颗定时炸弹?iPhone 7也爆炸了

<行业聚焦>     编辑:西安网站建设公司    DATE:2016-10-26

       三星不哭,苹果也爆炸了。

       美国科技博客BoyGeniusReport的一篇文章今天凌晨晒出,一部苹果新iPhone 7似乎也发生了爆炸。昵称为@kroopthesnoop的网友在Reddit论坛贴出的一张照片,他的黑色iPhone 7破损严重,屏幕开裂,边框有明显烧焦的痕迹。
       苹果的股价周四开盘应声下跌。
       此前,三星Note7手机在全球已造成近40起爆炸事故。就在9月26日下午,又一部国行的Note7发生爆炸,这是在中国Note7的第四起爆炸事故了。
       美国佛罗里达州用户那桑·多纳切(NathanDornacher)使用的三星Note7爆炸,他之前在车内给Note7充电。车的方向盘、仪表盘等已经面目全非。


它们正在清除这颗定时炸弹?iPhone 7也爆炸了


       2016年9月2日下午,三星电子在韩国召开新闻发布会,移动部门总裁高东真对三星Note7电池爆炸事件进行了公开道歉,宣布因电池缺陷问题,三星将停售Note7手机,并召回250万部Note7。
       三星公司可能就此“连续爆炸门”损失近50亿美金——作为贡献韩国GDP超过五分之一的三星,这一次可真是惊动了国本。
       六天之后,美国联邦航空管理局(FAA)发表声明,强烈建议乘客“在飞机内关闭Note7电源,不要使用或进行充电”。接着,美国消费品安全委员会(CPSC)又正式呼吁“请消费者停止使用Note7并关闭电源”。多米诺骨牌效应开始,多国航空部门连续发出警示,提醒乘客停止使用Note7,这里面也包括中国民航。

       网民把 Note 7 装扮成 “恐怖分子”,说 Note7 才是 “真正的炸弹”。网民把 Note 7 装扮成 “恐怖分子”,说 Note7 才是 “真正的炸弹”。
 
       据三星自己说,Note7是手机锂离子电池的电池芯出了问题。因为制造工艺失误,电池的阴极和阳极相接触,导致电池芯过热从而引发爆炸。
       爆炸一次不可怕,连续爆炸才可怕。这不由得让人想起同样由于电池、连续起火的特斯拉。
       2015年年末,特斯拉还忙着统计去年全球交付总量达到50,580辆的傲人成绩的时候,1月1日挪威一辆ModelS充电时突然起火——所幸车内无人。
由于特斯拉使用的动力电池是三元锂电池,而三元锂电池燃烧时不能直接用水或者二氧化碳扑灭,专用的铜粉水造价太高又不常见,所以当时的挪威消防队员只能用泡沫控制周边火势,直到这辆ModelS完全烧毁。

       传统锂电池的安全性始终是一柄达摩克利斯之剑,悬在人们的心头。为什么锂电池容易爆炸?

       普通的锂离子电池由正极、负极、电解质、隔膜组成。锂离子在正负极之间来回“奔跑”,完成充放电的过程。有了电解质,锂离子才能“奔跑”。正负极之间用陶瓷或者其他聚合物制成的隔膜隔开,电池的正负极因此避免了直接接触。
安全隐患就在这个隔膜上。一旦高压、过热,隔膜很容易被穿破,导致正负极接触,造成内部短路。据《科技日报》报道,三星为了提升电池的能量密度、延长续航能力,采用了更薄的隔膜材料,所以才会事故频出。
想想看,一辆特斯拉需要使用7000多节18650型号锂电池,只要其中一节出了问题……

       只有一个改变才可以彻底解决问题——把液体的电解质换成固体的。
       固态电解质能让电池正负极永不接触。即使发生过热情况,固态电解质只是熔化成绝缘体,温度下降后又能恢复成固体,不会分解出气体和多余的热量。
如果一个锂电池,换成固态电解质,它就叫做“固态电池”。

       人类在固态电池上探索的道路至今已经有六十多年。最先生产出来的固态电池,不是那种厚厚的、或者圆圆的,而是像一层薄膜一样。
       第一个报道产出固态电池的是日本人。1982年,日本Hitachi公司首先声明自己产出了厚度小于10μm的固态电池,是一层薄膜。但这块电池的功率太低,无法驱动任何电子设备。
       薄膜电池现在有更成熟的产品了。2008年,美国的InfinitePowerSolutions(IPS)公司推出了一种全固态薄膜电池。它只有一个指甲盖大小、两张纸厚,15分钟就能充到90%的电量,可充放电10万次,使用至少15年。由于是全固态,这种薄膜电池可以随意弯折,在-40℃到85℃温度范围、甚至水下一千多米都能安全使用。
       2015年,InfinitePowerSolutions公司被苹果收购,开始研究用于可穿戴设备上的固态电池。可以想象,如果苹果手表用上固态电池,就能解决续航时间以及体积问题了。
这种薄膜形状的固态电池,在微型电子器件市场上应用广泛。世界范围内,有十几家公司拥有薄膜电池的专利,除了上面提到的两家,还有法国Bellcore、美国Cymbet、台湾辉能科技、俄罗斯的GSNanotech等。

       但薄膜电池生产成本实在太高。它需要利用一种叫做气相沉积的技术,所用设备动辄上百万。如果将薄膜电池用到手机上,一台苹果能卖到100多万。
       另外,因为电极是薄膜,薄膜电池能储存的能量很少,别说电动车了,手机需要的电力都供不上。
       更多人把目光投向了大容量的非薄膜型固态电池。但非薄膜型的电池,目前技术还不是很靠谱。
       瓶颈主要有两个:一是固态电解质离子电导率太低,也就是锂离子在固态中“奔跑”得慢,而电池是靠锂离子在正负极间奔跑来实现充放电的,所以这意味着电池充放电慢。二是固电解质和电极接触得没有液态和电极接触好,导致界面电阻太高,这会显著降低电池性能。
       在非薄膜型的电池里面,有三种材料可作为电解质:聚合物,硫化物,氧化物。有不少公司说自己在做以聚合物为电解质的电池,但他们做的其实不是聚合物固态电池,而是凝胶电解质,如Sony和三星。凝胶的状态介于固态和液态之间,其实根本没有解决安全性的问题,凝胶电池的能量密度也难以提高。所以三星后来索性放弃了凝胶电解质。
       其它绝大部分厂商,包括中国新能源科技(ATL),只是在隔膜上涂一层聚合物将隔膜与正负极粘接在一起。话说,ATL是全球最大的聚合物电池供应商,为三星、苹果、华为、OPPO等企业供货。
       什么时候固态电池才能够进入大规模产业化?
      大部分业界的人挺乐观。《日经技术》认为,“预计3年内能出现性能为现有锂离子电池2倍多的产品”。2013年,美国能源存储联合研究中心(JCESR)则说,“5年内(2018年)开发出(相比普通锂电池)能量密度达到5倍、价格降至1/5的蓄电池”。
       但科研领域的学者们都偏保守——他们认为“毕竟研究出产品跟能形成产业是两码事”。2016年上半年,科学院物理研究所研究员李泓博士说:至少要到2020年,中科院物理研究所出产的固态电池“可能试水到商业化的程度”,而“真正的全固态可能需要更长时间”。
       虽然工业上不可能实现液态到固态的飞越,但这不代表产业界在固态电池领域无计可施。峰瑞资本投资人朱祎舟对深蓝DeeperBlue说,“我们可以寻找液态到固态的过渡方案。”例如,从麻省理工孵化出来的锂电池公司SolidEnergySystems的电解质,就是既有固态又有液态:先在金属锂电极上覆盖一层固态电解质薄膜,然后加入一种准离子态阻燃液体。制成的电池跟传统电池比体积缩小一半,还能提供更多能量。
       “固态电池性能好,成本高,就先瞄准对安全性、稳定性需求高,又不计成本的行业。固态电池的制造过程跟传统电池的不一样,就要充分利用传统电池的生产设备,避免重建整条生产线,从而降低生产成本。”朱祎舟说。
在大容量固态电池做产业化的这条路上,日本远远走在全世界前列。丰田、日立造船都是固态电池界的领军企业。2009年,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)启动了210亿日元计划,举国之力研究电池,希望能在2030年前开发出能量密度为现有水平5倍以上的可充电电池。从现在看来,这个时间可能被大大提前。
       韩国也不落后,三星在日本也有个固态电池研究所——早点研发出来三星就能换上固态电池了。
       日韩之后,依次是欧洲、美国、中国。
       法国已经有电动车投入使用固态电池,但他们用的固态电池中间还是有隔膜的,不是真正意义上的全固态,而且目前尚无大规模应用。美国人则只有技术,没有可以量产的产品,这里有创业公司一大把,比如:Seeo,SolidEnergySystem,SolidPower,QuantumeScape等等等等。
中国人还处于研究阶段,相关标的有清陶能源、宁德时代新能源科技(CATL)、比亚迪、微宏动力等,研发进度有快有慢。其中,清陶能源位于江苏盱眙,由南策文院士团队组建。同时,南院士拥有中国第一个与全固态有关的专利。

       深蓝DeeperBlue盘点了四家开发固态电池的公司,其中法国的BatScap虽然有投入使用的产品,但不是真正意义上的全固态电池;其他公司目前还只有技术。

       BatScap是法国博罗雷(Bollore)的子公司,开发了可以在电动车上使用的固态电池。开发固态电池的BatScap是博罗雷在能源领域布局的一个关键。
       BatScap做的是需要加热的聚合物固态电池。因为在常温下聚合物的离子电导率太低,意味着锂离子在电极间奔跑得慢,充放电也就慢。加热后,聚合物的离子电导率才能提高。

       2011年底开始,博罗雷利用自主开发的EV“Bluecar”,在法国巴黎及郊外提供汽车共享服务“Autolib”,即抵达目的地后交换车辆。这种汽车用的就是BatScap的固态电池,规格是30kWh。目前这种Bluecar已有近4000辆,有约900座服务站和4500台充电器,每天利用次数1.8万次。

       然而,电池需要加热才能使用是难以大规模推广的。电动车可以利用行驶中产生的热量来维持60~80℃的使用温度。但停车时,必须要利用电池组内部的加热器来维持温度,每秒会消耗约200W的电力,跟一个电冰箱差不多。在停车过程中需要一直连接充电器。有人做过估算,平均一年下来,停车时加热器消耗的电力比行驶时所需的电力还多。
       不过,据一名固态电池的技术人员透露,BatScap的聚合物固态电池其实中间也有一层隔膜,根本不是我们所说的全固态。

       美国SolidPower成立于2012年,位于美国肯塔基州的路易斯维尔市,在科罗拉多科技中心拥有650多平方米的工厂。创始团队有不少来自科罗拉多大学博尔德分校(UCB)的教授与副教授。这些教授背景都十分强,比如仅SeheeLee教授一人就有18项相关专利。
       SolidPower拿政府的钱比较多,2013年获美国能源部资助的346万美元,科罗拉多州的经济发展与国际贸易部门(COEDIT)资助的25万美元。2014年底又获美国空军资助290万美元。
       SolidPower固态电池的电池能量密度达到了600Wh/kg,是市面上电池容量的两倍多。

       Sakti3是一位来自美国密歇根大学的教授在2007年设立的风险创业公司。Sakti在梵文中是“力量”的意思,3是锂的原子序数,连起来就是“锂的力量”。这家公司是用蒸镀的方法制备无机固态电解质,并且宣称已能实现高效率量产。

       值得一提的是,Sakti32015年获得家电巨擘戴森公司1500万美元融资,年底被戴森以9000万美元收购。2016年9月,戴森宣布投资14亿建立电池厂。
       Sakti3宣布已制造出能量密度达550Wh/kg的电池,这一能量密度要比普通锂离子电池的高大约50%,电池蓄电量是特斯拉现在使用的锂电池的两倍。Sakti3对媒体说,他们在其位于密歇根的小型试验场已制造出这种固态电池的原型,预计在两三年内实现商业化。
       然而,业内针对Sakti3的声音真不少。不少科研人士都认为:“Sakti3没有产品,只是在炒作固态电池概念”。
       2013年时,丰田宣布,计划在2020年全面实现全固态电池商业化,其能量将是锂电池的三到四倍,并在接下来几年使用锂空气电池。
许多日企都非常重视离子导电率。离子导电率高,意味着锂离子在正负极间“奔跑”得快,充放电的速度就快。而硫化物电解质在常温下的离子导电率与液态电解质相近,所以有许多日本公司在研究硫化物。丰田就是个代表。
根据丰田2014年发布的专利,他们研发的全固态电池,改善固态电解质和电极接触差的问题,用湿涂工艺来制备中间的电解质,让电解质变得很薄,从而减小电池体积。同时丰田放大了电芯尺寸,将电池面积扩大了50倍,容量提升了一千倍。

       丰田在实验中将固态电池用在电动小车上。丰田在实验中将固态电池用在电动小车上。
       据苹果一名技术人员向深蓝DeeperBlue透露,丰田固态电池产业化很可能不会使用上面说的材料,他们公布这项专利也许只是为了误导产业界。

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