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> 这么多年，电池技术为何停滞不前
过去20年间发生的科技飞跃实在令人瞠目结舌。计算机已经从功利主义的盒子转变为由金属和玻璃组成的线条明朗的矩形，且小到能够放在口袋里。现在的设备要强大得多，一款新型智能手表的计算能力比阿波罗登月飞船的都要强大。然而，电池是另外一回事，是什么原因导致了这一情况呢，带大家来探讨一下。
即便消费者电子产品制造商，从苹果到三星，为了让设备拥有更长的电池寿命投资了上百万美元的科研资金，科技本身却无法在未来几年就发生翻天覆地的变化。但这并不会减缓高度依赖电池的小配件数量不断上升的趋势。
为什么电池技术停滞不前一直是研究人员讨论的话题之一，很多人表示我们已经到达科学的极限。无论真正的原因是什么，消费者将需要竭尽全力高效利用需要电池驱动的设备。
两条进化路线
为了理解具体的情况，我们必须考虑三个问题：电池制造商的过去、现在以及未来面临的挑战。美国加州高级电池初创企业恩维亚公司的联合创始人和业务开发主管迈克尔·辛库拉发现1995年电池里存储的能量一直未发生特别显著的变化，直到十多年后2007年电池存储的能量才翻了一倍。自那时起，电池能量的增加从未超过30%。恩维亚相信直到2021年大多数电池存储的能量可能都不会翻倍。
然而，一台标准的手提电脑可以运行长达10小时，这是为什么呢？一般来说科技进步源于两个单独的推动力：不断地缩小每一个零部件的大小和不断改善管理所有部件的软件。一台电脑的大脑是它的微处理器，芯片可以为绘制图片，或者辅助Facebook更新你好友的生日状态进行必要的复杂计算。在过去的几十年，工业界一直在努力缩小处理器的体积。随着它们变得越来越小，它们所消耗的能量越来越少，因此电池寿命越来越长。
但电池另当别论。本质上来说，它们是金属和化学物质的集合。连通电池意味着会有电流经过。而化学过程面临的一个问题便是做的越小并不意味着变得越好。你可以设想它为一瓶饮料：杯子里装的啤酒越少，你能够喝到的啤酒也就越少。
在此之前，主要的电池发展都源于使用了新材料。当材料从镍转化为金属锂后，消费性电子产品的电池寿命极大的延长了。磷酸锂铁之父、现代电池发展的一名重要科学家约翰·古德伊夫教授表示，现在的研究主要关注于改善锂电池的寿命。“元素周期表非常有限，” 古德伊夫说道，因此进步和提升变得越来越困难。
与1979年古德伊夫宣布取得了突破性进展使得现代电池变为可能的时期相比，现在研究电池问题的科学家数量明显要更多，然而，可以试验和研究的新材料却已经匮乏。
智能手机能够持续使用一周,而非只维持一天——所要求的是彻底革新的科技，而这样的技术目前尚未出现。古德伊夫认为“延长电池寿命的下一个策略目前还是未知数。”
通往锂电池的道路
现代电池追溯到18世纪，当时科学家们意外发现了一种处理静电的方法——将金属棒插入内部装满盐水、两端涂有箔层的瓶子。用一只手接触瓶子外部，而金属棒接触瓶子另一端，你就能体验触电的感觉了。
在《电池：便携式电源如何引发了一场技术革命》一书中，亨利·施莱辛格描述了科学家们如何研究这种名为莱顿瓶的设备。其中非常著名的发明家是诗人珀西·比希·雪莱。年轻时的雪莱在妹妹的帮助下进行了实验。他还得到了妻子玛丽·雪莱的启发，后者在自己创作的小说《弗兰肯斯坦》里将电作为主要的情节设计。
就在小说《弗兰肯斯坦》出版后不久，安纳塔西欧·伏特发明了第一个被广泛使用的电池伏打电堆，就是在铜板和锌板中间夹上用盐水浸过的卡纸或布片，一层一层堆起来的蓄电池。
当今的电池并未发生巨大的变化。切开电池内部，你可以看见由金属，例如锂制成的一种材料，和另一种材料。两种材料之间是某种类似于伏特200年前使用的布片的物质——由液体或者胶体包裹的塑料，目的是防止金属发生相互作用，同时能够让原子自由移动。
当电池一端的金属丝与另一端的相接触，就产生了回路，电子会移动，从而产生电流，导致灯泡发光、立体声音响发声或者锁上汽车车门。对现在的电子设备而言，最流行的可充电电池锂离子电池已经被广泛使用了20多年。
市场快速增长
电池是科技的命脉。 根据欧洲知名研究机构法国Avicenne Energy的估计， 1990年，随着锂离子电池涌入市场，全世界对电池的需求高达200000万兆瓦时。这相当于444亿个劲量极限AA锂电池，足以环绕地球57次。截止20年后，也就是2013年，这一需求已经翻倍。
市场研究公司Lux Research预测截止2020年，仅用于驱动电子设备的电池花费将高达266亿美元，比2014年大约增长了30%。大多数需求来自智能手机和平板电脑，预计两者在未来6年将增加45%。用于交通，例如汽车的电池花费将翻倍，高达209亿美元。
考虑到如此巨额的消费，研究人员正在努力改善电池寿命。即便如此，可以物质化的突破性进展寥寥无几。此外，几乎所有的主要研究首先都关注于在汽车和电网方面的应用。
科技巨头，例如IBM，在加州圣何塞的阿尔马登研究中心拥有一支专门研发电池技术的科学家小组。2009年，IBM投资了50万美金要求几名研究人员开发Battery 500项目：旨在打造一块可以支持汽车跑500英里的电池，这意味着一次充电汽车就可以从旧金山行驶到洛杉矶，中途还能绕到沙滩上休息一会。
这一项目的关键是所谓的锂空气电池，这种电池并不是依赖碳和其它金属，而是以锂离子为主，IBM和他的合作伙伴相信他们能够创造一种充满空气的容器，后者能够与锂发生相互作用从而产生电流。如果他们是正确的，那么这种空气电池的重量或可能减轻一半。
但其中存在一个问题：为了实现能量的可持续和再充电过程，你必须获得纯净的空气，但我们现在呼吸的空气充满了污染物和水。“你需要机械装置净化空气。” IBM电池项目负责人温弗里德·维尔克说道。这意味着这将增加电池的大小、重量和复杂性。
其它的科学家，包括来自美国麻省理工学院和德克萨斯州大学的研究人员，都在考虑使用其它材料，例如硅、硫和钠。然而很多相关的研究和开发都是针对汽车设计。将这种技术应用于消费性电子产品可能还需要再多等几年。
有些消极的科学家描绘了一幅较为悲惨的前景，他们认为我们已经达到了电池能力的极限。而其他人，例如美国加州电池初创企业Imergy Power Systems首席执行官比尔·沃特金斯，则对电池的前景持乐观态度。“从来都不要低估一群拥有足够科研资金的博士们的能力。” 沃特金斯这样说道。
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《中国学术期刊（网络版）》
一种改进的锂离子电池剩余寿命预测算法
【Author】
Zhang JWei YHan YZheng WZhang FMilitary Instrument Teaching and Research Section,Army Officer Academy,PLA;Anhui Provincial Key Laboratory of Polarized Detection T
【摘要】 锂离子电池故障往往会使系统性能下降甚至瘫痪,故障部件剩余寿命的精确估计对整个系统的寿命预测和健康管理至关重要。粒子滤波是一种有效的序列信号处理方法,然而应用于锂离子电池剩余寿命预测准确性并不高。根据锂离子电池电学特性,提出一种改进的粒子滤波算法,基于锂离子电池容量退化指数模型,结合训练数据对锂离子电池剩余寿命进行预测。仿真及实验结果表明,改进的粒子滤波算法对锂离子电池剩余寿命预测误差小于5%。
【关键词】 ；
装备预研基金项目(914A202);安徽省自然基金项目()
【所属期刊栏目】
电源技术与应用
（2015年08期）
【DOI】10.16157/j.issn.15.08.031
【分类号】TM912
【网络出版时间】 15:28:46
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2016年中国锂电池市场现状分析及发展趋势预测【图】
& & 新能源汽车以其清洁性代表了全球汽车行业新的发展方向，其中电动汽车又为新能源汽车最重要的技术路径之一，动力锂电池是电动汽车的心脏也是能量存储装置，是其最为核心的部件，动力电池性能好坏很大程度决定了电动汽车的应用与普及，从成本角度来看，电池驱动系统在新能源汽车成本中占比达到30%~45%，且其中75%~85%由动力锂电池构成，即动力锂电池在整体电动汽车成本中占比达到23%~38%左右的水平。新能源汽车构造图一览新能源汽车成本构成&&电池驱动系统占比较高 & &&动力锂电池主要由正极、负极、电解液及隔膜四大部分组成：锂电池的工作原理实际上就是其充放电的过程，充电过程中锂离子在正极形成，由电解液运动到负极并嵌入到负极中从而达到充电效果；放电时，锂离子电池在负极中脱嵌，再次回到正极；由此可见，在锂离子运动过程中，正极材料、负极材料、电解液以及正负极之间的隔膜在其中起到了十分重要的作用，由此四大部件的性能也是影响锂电池性能的核心因素。锂电池结构及工作原理（以锰酸锂电池为例）动力锂电池产业链一览 & &&正极材料形态多样，未来或以三元为主要发展方向：目前对于动力锂电池技术路径的探讨更多集中于正极材料，从当前发展趋势来看，磷酸铁锂、三元（包括镍钴锰NCM、镍钴铝NCA）及锰酸锂为当前的主要技术路线；总的来说，各类型正极材料各有优劣势；大致来看，磷酸铁锂原材料丰富、循环寿命长、安全性能好但能量密度较低，三元电池性能相对更为平衡且能量密度高但存在安全性问题， 而锰酸锂材料成本低、安全性好、倍率性能高但寿命低、不耐高温且密度低；总的来说，各种正极材料性能各有优劣势，各自性能均有较大提升空间。各类正极材料性能对比
项目 尖晶石锰酸锂（LMO） 磷酸铁锂（LFP） 镍钴锰酸锂（NCM） 镍钴铝酸锂（NCA）
分子式 LiMn2O4 LiFePO4 LiNixCoyMn1-x-yO2 Li（NiCoMn）O2
电压 3.8 3.3 3.6 3.7
比容量（mah/g) 120 150 160 170
能量密度（wh/kg) 90-100 130 160-220 220-250
循环次数 1500 2000 1000 1000
安全性 优 优 较好 差
成本 低 低 较高 高
优点 价格低廉、工艺简单、充放电电压高、环保、安全性能好 价格低廉、安全性能好大电流快速充放电、温度范围广 循环性好 低温性能好，能量密度高
缺点 容量低、高温循环性差、能量密度低 低温性能差，放电电压低 高温性能差，技术壁垒高，钴价格高 高温性能差，技术壁垒高，安全性差
使用情况 少 普遍 普遍 普遍 & &&从实际应用情况来看，目前主要电池生产国日、韩及中国各家企业技术路径有所不同， 大致来看，日韩企业多采用锰酸锂及三元电池技术，而磷酸铁锂技术在国内应用更为广泛；短期来看，锂电池的技术选择及运用情况很大程度上取决于政府的政策倾斜，包括具体补贴政策等，由于国内暂停将三元锂电池客车加入推广新能源汽车目录，主要是国家考虑到国内三元锂电池技术发展、工业水平及质量把控有待提高，由此在我国新能源客车领域中磷酸铁锂应用更为广泛。主要锂电池企业采用正极材料对比
企业 国别 主要产品 主要正极材料 下游客户
AESC 日本 软33.1Ah、37Ah LMO+NCA 日产、雷诺
松下 日本 圆柱3.1Ah 方型20.5Ah、25Ah 圆柱：NCA 方型：NCM 特斯拉、福特、丰田、大众、奥迪、戴姆勒
LEJ 日本 方型50Ah、40Ah LMO+NCM 三菱
LG化学 韩国 软包15Ah、26Ah LMO+NCM 通用、雷诺、福 特、沃尔沃
三星SDI 韩国 方型20Ah级（20、24、26、28等）、60Ah LMO+NCM+NCA 宝马、保时捷、 奥迪、大众
SK创新 韩国 软包40Ah、50Ah LMO+NCM 起亚、北汽
比亚迪 中国 方型26Ah、200Ah LFP；NCM 比亚迪、戴-比
国轩高科 中国 方型13Ah、21.5Ah LFP；NCM+LMO 江淮、南京金龙
力神 中国 方型70Ah、20Ah LFP；NCM 康迪
ATL 中国 方型60Ah、25Ah LFP；NCM 北汽、华晨宝马 & &&但从更长期趋势来看，三元电池及其混合材料的使用比例或将提升，主要是由于其显著的高能量密度特点，首先全球电动车龙头特斯拉主要采用三元电池技术路径，龙头通常对行业发展起到较好示范效应，其次各国对于未来新能源电池发展规划中均明确提出了对于提高能量密度的要求，例如根据我国政府发布的《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案（征求意见稿）》中，其中提出2015 年能量密度要达到200wh/kg、2020 年达到300wh/kg 的要求；综合来看，未来行业或仍将以三元及磷酸铁锂为主要正极材料，三元电池占比或有所提升。2015 年国内新能源汽车正极材料产量比例& &&负极材料以石墨为主，其他材料为补充：不同于正极材料的多元化，当前市场锂电池所用的负极材料主要为石墨，包括人造石墨、天然石墨等，另外也有中间相碳微球、钛酸锂、硅基材料、锡基材料等，总体来说石墨占据近90%的市场份额； 从性能对比看，石墨综合性能较为成熟，但其安全性及快充特性仍有待提高，例如对于快充快放的使用要求，钛酸锂材料可能为更优的选择，而对于密度要求极高的场合，也可能考虑以硅基材料替代。锂电池负极材料性能对比一览
类型 比容量（mAh/g)
首次效率 循环寿命（次） 安全性 快充特性 性价比
天然石墨 360 90% &1000 一般 一般 极高
人造石墨 350 93% 1000 一般 一般 极高
中间相炭微球 340 94% 1000 一般 一般 一般
钛酸锂 160 99% 30000 最高 最好 低
硅基 800 60% 200 差 差 低
锡基 600 60% 200 差 差 低 && &&隔膜当前市场主要有干法隔膜及湿法隔膜两种类型，湿法隔膜相对而言工艺复杂且成本高，主要由海外企业把控，但其性能优异，更适合于大功率、高容量的动力电池且能够增强能量密度，代表了未来主流发展方向。 电解液的构成为溶剂、锂盐及添加剂，锂盐决定整体性能，六氟磷酸锂为当前主要应用的锂盐且技术路径明确。& &&总体来说，动力锂电池技术的发展与技术路径的选择对整个新能源行业起到至关重要的作用，考虑到实际使用需求、国家战略规划以及企业层面的技术布局，能量密度提高、安全性提升、循环寿命拉长、成本降低等均是未来行业发展方向及趋势，从当前实际情况来看，锂电池的技术进步还有较大幅度提升空间，这也为多样化的技术发展路径带来可能性。
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技术支持：基于粒子滤波的锂离子电池寿命预测_行业新闻_池能电子
摘要：考察不同充电SOC（荷电状态StateofCharge的缩写）下的磷酸铁锂电池循环性能。实验结
电池成分磷酸铁锂电池锂钴电池锂锰电池锂钴镍电池C-LiFePO4LiCoO2LiMn2O4Li(NiCo)O2安全性及环保
  　低温拍摄时，由于长期在低温环境下，相机的锂电池可能会失效，所以要尽量保
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基于粒子滤波的锂离子电池寿命预测
时间： 16:52:55来源：科技创新与应用浏览次数：
摘 要：针对传统方法不能解决非线性系统剩余寿命预测问题，提出了一种基于粒子滤波算法的电池寿命预测方法。能有效解决非线性问题，准确实现了电池寿命的预测。
　　关键词：寿命预测；粒子滤波；容量退化；非线性
　　锂离子电池寿命受到放电电流、温度、电池材料等诸多因素的影响，电池的剩余容量是放电电压、电流、温度及电池过去的充放电历史等参数的复杂函数，对锂离子电池的寿命预测是一个非线性预测问题，针对此类问题传统的预测方法不足以满足要求，文章提出了一种基于粒子滤波的电池使用寿命的预测方法。
　　1 锂离子电池根据容量衰减为判定的寿命模型
　　锂离子电池容量衰减的主要原因是电池负极的副反应引起的。Broussely 等分析了锂电池在不同电压、不同温度下放置时电池容量的衰减情况，如下式所示电池储存寿命t的模型：
　　式中：x 表示电池损失的相对容量比；k，n和d为常数，S，e0和&分别表示离子电池SEI 膜面积、厚度和电导率。这里所用的模型中只考虑温度（15～60℃）对电池容量寿命的影响，没有涉及离子电池的电压，具有比较大的局限性。
　　不久前，Liaw等[2]从电池的容量衰减的角度出发，提出利用ECM等效回路模型来预测电池的储存寿命。该模型不仅拟合程度高，而且还能模拟出经过老化搁置后电池在不同倍率下的放电行为。可以表示为公式：
　　式中：V0是指放电中的开路电压，Q（0）是电池的初始容量，从这个公式看出，电池端电压是放电电流与欧姆接触R1，电池的电化学反应R2的函数，其中R1为不变的电池常数，R2则随着老化搁置时间出现非线性的变化，拟合公式如下：
　　R2=a+b（SOC）C+dexp[（1-SOC）C] （3）
　　式中：a、b、c、d和e都是锂粒子电池SOC和老化时间t的函数。对于绝大部分的锂离子电池，它的容量随着时间的变化具有很明显的规律，利用这个规律，就可以较好的预测电池寿命。
　　2 在实验室条件下进行电池容量的退化实验（图1）
　　随着充电和放电次数的增加，粒子电池所储存的能量在逐渐的减小。这里横坐标表示充放电循环次数k，完成一次充放电为一个循环。纵坐标为容量数据c，这里已归化处理过了。当容量为0.7时，说明电池达到失效点。
　　从图1可以看出，数据在k=160点以前，粒子滤波算法主要依靠容量的观测数据，滤波之后得到a，b，c，d的值，预测未来120个k的趋势。图中A曲线为实际测量得到的结果，B曲线为未作任何处理得到的结果，C曲线是根据粒子滤波得到的预测曲线。可见，粒子滤波预测的结果基本与真实值吻合。
　　3 结束语
　　文章针对锂离子电池非线性系统剩余寿命预测问题，提出了基于粒子滤波算法的电池寿命预测方法。研究为复杂噪声条件下非高斯非线性系统的剩余寿命预测提供了一种切实可行的解决思路，对研究电池非线性寿命预测具有重要的参考价值。
　　参考文献
　　[1]Broussely M，Herreyre S，Biensan P，et al.Aging mechanism in Li ion cells and calendar life predictions [J].J Power Sources，：13-21.
　　[2]Liaw B Y，Rudolph G J，Ganesan N，et al.Modeling capacity fade in lithium-ion cells [J].J Power Sources，：157-161.
　　作者简介：刘丹烨，女，国网山东无棣县供电公司运维检修部，职称：助理工程师，专业：电气工程。}