如果沒有鋰離子電池,手機、電腦等電子產品會變成什麼樣?
看到今年的諾獎化學獎被授予了鋰離子電池的發明者,想知道為什麼手機、電腦這些電子產品為什麼選擇了使用鋰離子電池,如果沒有鋰離子電池會怎麼樣?
另外,為什麼有些電子產品又沒有採用鋰離子電池?
2019 年諾貝爾化學獎授予鋰電池,這項技術如何改變了我們的生活??www.zhihu.com
第一個問題,如果沒有發明鋰離子電池,我們今天的手機,平板以及筆記本電腦,都沒法讓你僅憑電池放心大膽地玩兒上一個鐘頭。
鋰離子電池,是充放電壽命達到數百次以上的二次電源體系中,能量密度最高的,無論考慮質量還是體積。別看大家對於現在鋰離子電池的續航能力還多有不滿,可經歷過鎳氫甚至鎳鎘電池時代的人們都應該知道,今天的電子產品的續航能力,相對其不斷增大的功耗,已經得到了巨大提升。
對於攜帶型電子產品而言,人們總希望用上儘可能輕巧的產品。而性能和續航,這兩者永遠是矛盾的,永遠在天平兩端。如果質量和體積只有這麼大,你要提高性能,就必然要犧牲一點續航,反之亦然。哪怕電池技術有了突破,手機廠家也會拿出更多空間來裝處理器,內存。。即便今天的智能手機,所謂的低電量或者省電模式,也斷然不可能一邊保持高性能一邊節約功耗。而續航時間,等於總能量除以功耗,這應該算是小學生都能理解的問題了。
在鋰離子電池像今天這樣大規模應用之前,最常見的二次電池,也就是可以多次充放循環的電池,是兩種,一種是鉛酸,一種是鎳氫。這兩種電池的能量密度和循環性能,都要劣於目前的鋰離子電池。能量密度,等於比容量乘以電壓。看起來5號鎳氫容量相比18650鋰電也不差太多,但電壓的區別使兩者實際的能量仍有較大差距。如果以現在的技術水平,從單個電池的情況來看,鉛酸電池能存儲的電量,僅相當於同等重量鋰離子電池的1/10左右,鎳氫好一點兒,但也不會超過40%(原來寫的1/4,感謝評論區高人指點,確實不夠嚴謹)。現在一隻手機用的4000mAh鋰離子電池,正極鈷酸鋰算30g,負極碳就算14g,電解質算12克,再加上外殼什麼的,重量就算60g吧。上述重量因產品設計和製造水平而異,但只會多不會少。如果換成鉛酸或鎳氫電池,大家可以想想,僅電池一項,增加的重量就有多少?即便只考慮體積,如果現在電池體積不變,換成鎳氫,續航時間也要下降60%以上,鉛酸,那就更不用提了。因此,在鋰離子電池應用之前的世界,電子產品的續航能力,和今天相比,是望塵莫及的。手機之所以可以從大哥大到直板到翻蓋滑蓋,從小青屏到大彩屏,乃至於今天的超薄全面屏甚至柔性屏,鋰離子電池的應用是個基礎。
可以說,正是鋰離子電池的高能量密度,包括手機電腦的攜帶型設備纔可能真正大量使用,並拓展出今天這麼強大的功能。很多人抱怨說現在的手機反而不如以往續航時間長,那也是因為過去咱們除了打電話發簡訊,別的功能也實在沒有呀!這也是為什麼,對於需要平衡性能與功耗的攜帶型電子產品,鋰離子電池一定是最佳選擇。如果說鋰離子電池對消費者來說有什麼問題,那就是相對較高的價格和仍不夠完善的回收機制。
說到這裡,第二個問題的答案也就呼之欲出,今天的確還有少數電子產品沒有普遍地使用鋰離子電池。它們都有各種各樣的原因,雖說也不可一概而論。但最普遍的原因,其實就一條,它們功耗相對低,對電池的空間沒有過於苛刻的要求,因此不需要儘可能減小電池的體積來提高其他部分的佔比,以提高性能。
如一些無線發射和接收裝置,無線滑鼠鍵盤,遙控器等,再如掛鐘,按照現在的技術水平,即便用普通乾電池,不用什麼鋰電,換一次電池也都能用好久了。而且遙控器滑鼠掛鐘這類東西,體積還不能太小,這反而正好給了電池足夠多的空間,因此這些產品對於電池儘可能輕巧的需求相當低。反過來看,鋰離子電池貴一些不說,放電結束的鋰離子電池處理起來,可麻煩多了。你要重複利用,充滿一次也需要時間。哪怕你不心疼錢,用完了就要扔,可是出於各種原因,鋰電暫時還沒建成鉛酸蓄電池那麼完善的回收機制。作為一種能量密度較高的電池,即便不能放出電能,不代表沒有任何能量,廢棄的鋰離子電池隨便亂扔是危險的。既然如此,我何不找一種用完了就換,換下來就可以扔的普通電池呢?反過來看,只要是要求體積和重量盡量輕巧,而自身功耗又比較大的攜帶型設備,不只是手機電腦這些東西,哪怕是剃鬚刀,小電鑽這樣的設備,近些年可以說幾乎全是鋰離子電池的天下了。
最後說一個事兒,儘管有些囉嗦,但還需要強調一下,請注意,我在本回答中,並沒有使用鋰電池這個詞。原來的題目,我把它改了。初始提問者引用的文案,雖然在非學術領域這麼說是沒問題的,但如果從科學角度看,這個標題還不夠嚴謹。鋰離子電池同鋰電池是不同的概念,只是如今鋰離子電池的應用範圍遠遠大於一次鋰電池,在一般情況下,鋰離子電池也被統稱為鋰電池了。從英文來看,三位諾獎獲獎者的貢獻,應該被翻譯為對於鋰離子電池,而非鋰電池領域做出的貢獻。