是电池限制了我们对智能产品的想象力吗?

慢充保寿命，快充省时间的锂电池

从口袋里的手机，到桌面上的电脑，再到路上跑的电动汽车，锂离子电池都是现在绝大部分智能电子设备的动力之源。

▲锂离子电池是怎么工作的

锂离子电池是电子设备中最常用的电池，这要得益于「锂」的金属特性，密度低到0.534g每立方厘米，原子质量小到6.9u，因此它是一种质量很轻并且极易与外界发生反应的金属。

锂电池的工作原理是这样的：

充电的过程就是锂离子从正电极中移动到负电极，放电的过程就是锂离子重新跑回到正电极。锂离子可以看做载着电荷的小车，在化学反应的过程中形成电流供电。

电池快充就是让锂离子移动的速度加快。为了实现这个效果，不仅需要适当改变充电电压，还需要对锂离子移动的路径，也就是电解质进行改良。

电池的一个重要的指标就是「能量密度」，可以理解为：

每公斤的物质最多能够携带的能量。

另外一个常见的指标是电池容量，这个数值一般会标注在电池或者电子设备上。当一个电池的放电电量达到了电池容量的100%，就是完成了一个充电周期。经过一定数量的充放电周期后，任何类型的电池容量都会变少。

电池寿命缩短的过程与「锂枝晶」有关。我们把锂离子看做小车，但是这些车队在充放电的往返过程中并不会规规矩矩、整整齐齐。

▲锂枝晶

它们会在出门的时候把车库撞坏（引起结构变化），也会在返回车库的时候几辆车一起把车库的门堵住，引起塞车，当这条车龙到达一定的长度，就会让电池发生短路和爆炸。这条车龙就是「锂枝晶」，如今的车龙依然存在，只是因为技术进步得到了缓解。

▲针刺测试示意图

一个「针刺测试」，充满电的电池放在一个平面上，用直径3mm的钢针沿径向将电池刺穿。测试电池不起火、不爆炸则为通过测试。

通过「针刺测试」的技术太难了，国际电工委员会（IEC）的电池检测标准中就没有包含该项测试。今年3月初，工信部官网发布《电动汽车用动力蓄电池安全要求》等三项汽车行业强制性国家标准中，「针刺测试」也被取消了。

以电动车为例，电池面临的三个问题

我们距离锂电池正式大规模商用才不到30年，目前最流行的锂电池属于锂离子电池。有统计显示，锂离子电池的性能和价格演进速度正在放慢，这个趋势很有可能会在未来影响电动汽车的大规模生产。

现阶段电池的技术瓶颈主要在能量密度、循环寿命和温度特性三个方面。

换个角度，电动车里电池面临的问题主要有三个，分别是：

里程焦虑

安全问题

成本问题。

首先，「里程焦虑」与锂离子电池的能量密度有关。锂这种金属的理论极限能量密度是14000Wh/kg，由于锂电池一般都会掺杂其他物质，再加上正负极材料的影响，因此目前工业生产的锂电池能量密度普遍在150-300Wh/Kg。

由于需要考虑电池材料在使用过程中的稳定性，因此突破300Wh/Kg的电池制造技术只有少数厂商可以做到，比如特斯拉就在其中。

最近20年来商用电池的研发基本都没有太大的突破，在化学电池这个领域里，如果人们找不到能够替换「锂」的新材料，基本上电池能量密度也没有突破的指望。

也就是说，包括手机、无人机、电动车在内使用锂电池为主的智能产品，在相当长的一段时间内，电池的单次续航依然会明显受到限制，只能通过增加充电次数、加快充电效率等方式来解决。

其次是安全问题。

电池依然是一个易燃易爆的脆弱事物，坐飞机时电池不能托运只能随身携带就是其中一个表现。

汽油车起火时，人们往往还有逃生时间，但若换成是电动车电池起火，基本是瞬间被火海淹没，车内人员生还的可能性比汽油车低得多。

另外，高温状态下，电池内部的化学物质容易分解，导致起火。电池发生碰撞也有可能短路起火。

第三个是锂离子电池的成本问题。

为了让锂离子电池在使用时更加稳定安全，电池内部会添加各种化学物质，可以做到改善电池的温度特性、增加电池倍率等。这些物质包括钴、镍和其他稀有金属。

▲矿石开采难度与价格

这些稀有金属在地球上的储量很有限，开采的难度也比较高，随着电动汽车电池的需求量日益增长，稀有金属原材料的价格也水涨船高。

电池研发是一件相当耗费时间的事情。比如研发人员电池的某个部分进行改进，那么就需要进行大量的充放电实验来验证效果。

每一次充放电都是需要耗费时间和资源的。为了让电池研发人员可以更好地对电池剩余充放电次数进行预测，斯坦福大学、麻省理工学院与丰田研究所共同创建了一种人工智能，可以用来预测电池的性能和寿命。

这个算法通过学习上亿次电池充放电的数据，因此能够在收集单个电池五次充放电周期的数据后，预测电池的剩余寿命，正确率为95%。这项人工智能技术预计能帮厂商在研发电池时提速。

▲要这样换电池的手机慢慢变少了

锂离子电池是近代最伟大的发明之一，它改变了很多电子产品获取电能持续工作的模式，让它们具有可移动、可携带的特点，进而影响了我们日常使用消费电子产品的方式。随着电池技术的提升，手机上的电池已经逐渐不用拆换，出门带上一块充电宝就变成一件理所当然的事。

就目前而言，锂离子电池虽有诸多不足，但它依然是消费电子产品最好甚至是唯一的选择。

在过去，有很多电子产品都是靠碱性干电池、纽扣电池供电续命，当时的用户可能没有想象过，装着高性能锂离子电池的产品会是怎样的。

如今我们所使用的电子产品，也被电池技术的缓慢发展束缚，你可能没有想象过一部手机充一次电可以正常使用一周的场景。我想这样的手机会被卖疯吧。