锂离子电池是否遵循摩尔定法律?

文章作者:Larry Desjardin

半导体利用单一技术(CMOS)来实现增量增益,电池则需要新的化学方法。

在进行电池革命,它被锂离子(锂离子)电池推动。无论是您的手机还是笔记本电脑,电动或混合动力车厂,机会都有锂离子电池供电。该技术的投资是巨大的,市场研究公司Avicenne Energy估算2016年锂离子电池的市场规模为23亿美元,历史增长率为17%(图1)。

锂离子电池 图1.汽车申请人已经有了晚期,导致锂离子电池市场的增加。
图像来源:avicenne能量。

快速查看上图显示了消费电子应用相对平坦的,电动车辆和公共汽车(包括混合动力车车辆)驱动增长。消费者应用的平整度可能是两个力量的结果:较大的卷和较低的销售价格。

随着电动汽车(包括混合动力车)的日益普及,针对这些应用的锂离子汽车市场预计将继续增长,以兆瓦时(兆瓦时)容量计算的复合年增长率(CAGR)将达到17%,以收入计算的增长率为12% (图2.)。

锂离子细胞 图2.锂离子电池电动车辆需求,混合动力车辆,可插拔混合动力车辆和电动总线继续增加。图像来源:avicenne能量。

锂离子电池是否会满足较高容量/重量比(以WH / kg测量的重量能量密度)的关键要求,以及这些应用要求的较高容量/体积比(在WH / L中测量的容量能量密度)?许多人认为电池技术现在具有关键指标的固有增长率(重量能量密度的5%至8%),类似于Moore的半导体法。但我们可以预期这会继续吗?

摩尔定律来自1965年发布的文件英特尔创始人之一戈登E. Moore,假设可以将晶体管的数量包装成给定的空间单元的数量大约每两年加倍。这是明确的现有化,并担任大部分高科技产业的前瞻性预测因素。然而,它不是物理法。作为我前本科顾问,Carver Mead,2005年陈述“摩尔的法律真的关于经济学。[它是]真的关于人们的信仰制度,这不是物理学法,这是关于人类信仰,当人们相信某些东西时,他们会把能源放在身后,让它变得通过。“

我将注意到它也需要强大的经济需求和一种易于指数改进的技术。CMOS都有两者。它推动了它和沟通革命,而且优点的数字是晶体管的数量,一些东西借着小型化。

锂离子技术是相同的吗?如前所述,预测的重量改善范围为每年5%至8%。尽管摩尔定律每年的40%改善不高,但仍然是指数增加,但率较低。问题是该技术是否为这些持续改进提供了自身。

一个有趣的差异是,锂离子技术的改进主要由细胞的不同化学驱动。在里面锂离子电池介绍K. Devaki提出了以下图表。橙色代表不同的锂离子技术。锂离子技术的虚拟字母汤正在部署和开发(图3.)。

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图3。电池的能量密度增加了,但每一种电池都需要一种新的化学物质。图片来源:锂离子电池(LIB)由K. Devaki介绍。

与半导体行业不同,电池行业面临的问题是需要部署不同的技术以获得相对较小的收益。每一项技术在商业化之前都需要相当长的时间。举个例子,LFP电池(磷酸铁锂)的开发始于1996年,当时德克萨斯大学发现用磷酸盐制造阴极可以获得高电流和长循环寿命。然而,这是只进入这十年他们是商业部署的。

然而,电池继续提供更高的重量和体积能量密度。有些改进是化学中的线性改进,有些是通过新化学的阶梯函数改进。锂离子技术的下一个突破可能是基于锂-硫和锂-空气。就像摩尔定律一样,这条趋势线有一个真正的极限,即使是每年5-8%。要在一个材料中获得比每个原子1 eV更多的能量是很困难的。粗略计算约为850 Wh/kg。虽然令人印象深刻和有用,但它仅仅比图3所示的锂钴技术好五分之一。

但到目前为止,这是摩尔慢动作中的法律。

-拉里Desjardin是EDN考试Café的定期贡献者。他曾在惠普(Hewlett-Packard)和安捷伦(Agilent Technologies)担任多个研发和执行管理职位。联系他larry@modularmethods.com.

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