鋰離子電池開發領域的一些領先企業，例如特斯拉（Tesla）以及研究型大學，在這項節能技術方面取得了長足的進步。

小型便攜式電子產品的興起要求同時開發強大的電池技術。自1990年代以來，鋰離子電池（鋰離子電池或LIB）已成為硬件軍備競賽中的領先者-取代了鎳基電池。

鋰離子電池中的離子流。圖片由電池大學提供

但是，發展不會停滯。我們將探討LIBS帶來的好處，以及為何使用研發電池技術的EE不應對LIB的進展感到滿意。

鋰離子電池的優勢

與金屬替代品相比，鋰離子在運行和充電時更穩定。盡管鋰金屬的密度更高，但LIB的能量密度仍然是鎳鎘電池的兩倍。它們還具有以下有利特征：

• 單電池構建和整合

• 沒有內存或需要進行維護的收費計劃

• 休息時放電緩慢

• 相對安全的處置

• 可定制的單元配置，適用于各種應用

就比能量密度和體積能量密度而言，鋰離子電池的性能超過許多其他電池類型。圖片由羅切斯特理工學院和清潔能源研究所的Roberta A. DiLeo提供

盡管某些類型的鋰離子電池（棱柱形細長）更昂貴，但鋰離子技術通常保留了有利的成本/能量比。這些電池還易于更換，同時具有較長的保質期。

鋰離子電池的缺點

與其他技術相比，鋰離子電池更重-強調了移動設備的重量-功率平衡。這在一定程度上加劇了人們對手機外形的爭論。許多用戶更喜歡全天（或幾天）的電池壽命，而其他用戶則更喜歡終極的便攜性。一些設備已經變得越來越大，以容納更高的毫安小時（mAh）額定值的電池。這樣可以延長兩次充電之間的使用壽命。

LIB是用戶安全的，但需要采取防護措施以防止其壽命期內的性能下降。這些保護電路保持電壓和電流-使其保持穩定。盡管被動放電緩慢，但鋰離子技術仍在老化。

盡管較高的充電電壓可以增加容量，但會縮短鋰離子電池的使用壽命并降低安全性。圖片由Choi等提供。和電池大學

資源豐富是鋰的一個持續問號。工程師主要使用世界上第33種最豐富的電池元件。早在2015年，綠色科技媒體（Green Tech Media）報導說，在最壞的情況下，我們只有足夠的全球商店來維持我們17年的運營。

最后，電池整形會限制內部組件的布局。依賴LIB的工程師可能不得不調整其底盤以適應它們或進行功能讓步。在某些情況下，這會阻礙創意產品的設計。這也可能促使公司尋找次等選擇。迄今為止，我們為克服這些缺點做了什么？

2020年鋰離子電池的創新

一些制造商拒絕接受鋰離子電池外形的怪癖。隨著設備在每次迭代中不斷縮小，已將責任放在EE上以制定創造性的單元配置。

特斯拉的桌子電池

特斯拉（Tesla）是一家專注于鋰離子技術的公司。自2006年以來，該公司一直在完善其LIB技術，并試圖以創造性的方式緩解現有的鋰離子問題。該公司提供以下準則以延長鋰離子電池的使用壽命：

• 避免在充電狀態下過高和過低（保持電池在2％到95％之間持續充電）

• 避免快速充電以提高能量穩定性和健康的內部溫度

• 避免在寒冷的狀態下充電

• 避免快速放電，同時限制每個電池的電流要求

特斯拉（Tesla）已經承認，每塊電池都會隨著時間的推移而退化。因此，可維修性對于車主而言至關重要。試想一下，特斯拉是否將單節LIB用于他們的車輛。如果該電池發生故障或完全死亡，則需要進行昂貴的維修。這就是為什么該公司使用大量電池（早期超過6,800個）來制造單個電池的原因。車主可能會在降級后更換單個單元，而不是完全將汽車當作垃圾。

在電池技術的最新發展中，特斯拉最近宣布了其臺式電池項目，以對抗熱量怪獸和提高功率輸出。傳統上，這些選項卡對于在大型電池中傳輸功率至關重要，同時也延長了電氣路徑。

特斯拉新的臺式電池的橫截面。圖片由Business Insider提供

這在阻礙性能的同時打開了產生熱量的大門。通過移除凸耳并安裝內部螺旋基體，現在可以直接通過鋰離子材料傳輸功率。

特斯拉表示，縮短了關鍵的電氣路徑，降低了工作溫度，有望將能量密度提高五倍，功率提高六倍，范圍擴大16％。由于簡化了LIB設計，因此這些類型的改進有助于規模生產。

斯坦福大學建議使用固體材料代替液體電解質

典型的鋰離子電池由兩個電極組成，兩個電極之間充滿液體電解質。這種液體易揮發；刺破或短路可能會引起起火。一些制造商的設計特別容易受到影響。請注意，典型的LIB包括分隔器，該分隔器可保持電極間隔開，同時允許能量傳輸。

鋰離子電池的示意圖，包括隔板和電極之間的離子流。圖片由電池大學提供

您可能還記得困擾三星的Galaxy Note 7的自然燃燒崩潰；這些設備起火最終是由壓接，隔板損壞和短路引起的。

斯坦福大學的研究人員現在建議固體材料可以代替液體電解質。它們也更具成本效益。

鋰，硼和硫作為可行的材料已經上升到最高（由于機器學習篩選）。固體可以承受更多的應力并抵抗更多次循環的破壞，從而支持固體可以在更長的時間內導電的觀點。短路也很少見。

最大的挑戰將是確保生產管道的安全，并彌合液體和固體之間的電導率差距。

南達科他州立大學擁護鋰金屬

據說鋰金屬是電池研究的圣杯。但是，這種材料用于陽極時，其長期可靠性值得懷疑。鋁箔會隨著時間形成尖銳的突起，稱為樹突。這些樹突會在內部刺穿隔板，從而引起短路和起火。

樹枝狀晶體（如左圖所示）可能會穿透隔板材料并引起短路和火災。圖片由Dean Sigler提供

如果我們能夠阻止樹枝狀晶體生長，該怎么辦？SDSU的科學家認為，在陽極和隔板之間使用新的氮化鋰涂層可以做到這一點，從而消除了鋰金屬分布不均的缺陷。

等離子體處理的涂層還可以延長電池的使用壽命，延長離子導電性。鋰金屬電池將因此享有更大的知名度，甚至具有更高的機械強度。他們還將更有效地保留自己的能力。

鋰離子及其表兄弟的未來

令人鼓舞的是，自鋰離子電池誕生以來，它們已經走了多遠。盡管該技術已經達到一定程度的成熟，但研究人員仍在尋找改進現有技術的方法。盡管許多人可能認為電池的發展已經放緩，但世界上最重要的公司和大學都在證明事實并非如此。我們還在尋找使生產中的LIB更經濟的新方法。

這并不是說鋰離子技術是萬能的。如果發展和消費加速，全球鋰儲量將面臨潛在威脅。安全性得到了極大的改善，雖然很少發生電池故障（根據電池大學，不到百萬分之一），但是這些故障可能會造成人身傷害或財產損失。

此外，材料的可用性，成本的節省和生態友好性可能很快使鈉離子替代品成為人們關注的焦點。