¿Qué parte de un teléfono inteligente restringe la experiencia del usuario?

Hay más de 2000 componentes en un teléfono inteligente, y los componentes clave se actualizan e iteran rápidamente cada año. Sin embargo, el rendimiento de la batería es el único que está mejorando a un ritmo glacial, acompañado de frecuentes problemas de seguridad. , siempre ha restringido la experiencia de uso de teléfonos móviles. ?

Desde el iPhone de primera generación en 2007 hasta finales de 2017, en diez años, el tiempo de uso de los teléfonos móviles solo aumentó de 6 horas a más de diez horas, y la industria de las baterías quedó muy por detrás de la Desarrollo de otros componentes en teléfonos móviles. Velocidad de desarrollo. La gente tiene que llevar consigo un voluminoso banco de energía todo el tiempo. Por el contrario, la comunidad de investigación científica con frecuencia publica noticias llamativas sobre avances en el rendimiento de la batería: por ejemplo, cierto equipo de investigación universitario logró un avance en la batería que "se carga en 5 segundos y habla durante dos horas". ¿Qué opinas de estas noticias? ¿Qué cambios pueden traer realmente los avances de la investigación científica en estos laboratorios a los productos electrónicos de nuestra vida diaria? ¿Qué tipo de nuevo desarrollo en tecnología de baterías se utiliza para poner el satélite esta vez? ?

El 15 de diciembre de 2017, un magnífico equipo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Polímeros de la Universidad de Zhejiang desarrolló una nueva batería de aluminio y grafeno. Un artículo relacionado, Batería ultrarrápida de aluminio y grafeno para todo clima con un ciclo de vida de un cuarto de millón, se publicó en Science Advances. El primer autor es el Dr. Chen Hao del equipo. Según los informes, este tipo de batería puede funcionar en un ambiente de -40 grados Celsius a 120 grados Celsius, lo que se puede decir que es resistente tanto a altas temperaturas como a frío intenso. En un entorno de -30 grados Celsius, esta nueva batería puede alcanzar un rendimiento de 1.000 cargas y descargas sin pérdida, y en un entorno de 100 grados Celsius, puede lograr 45.000 ciclos estables. Este nuevo tipo de batería también es flexible. Después de doblarse 10.000 veces, su capacidad se mantiene por completo. Además, incluso si el núcleo de la batería se expone a las llamas, no se incendiará ni explotará. ?

La batería puede funcionar normalmente a altas temperaturas. Dos baterías conectadas en serie pueden encender un conjunto de luces LED. ?

El electrodo positivo de esta batería es una película de grafeno y el electrodo negativo es aluminio metálico. Al conectar dos baterías en serie, se puede encender un conjunto de luces LED. Después de las pruebas, la capacidad específica del cátodo de grafeno alcanza los 120 mAh/g (miliamperios hora por gramo). Si una carga-descarga se considera un ciclo, la carga rápida se puede cargar completamente en 1,1 segundos y aún tiene una capacidad específica reversible. de 111 mAh/g. Todavía puede mantener el 91% de su capacidad después de 250.000 ciclos de carga y descarga, casi sin pérdida de energía. Si un teléfono inteligente utiliza este tipo de batería, puede durar casi 70 años incluso si se carga 10 veces al día. ?

¿La batería nueva es demasiado potente? ¿La situación real es...?

Después de leer las descripciones anteriores, ¿sientes que esta nueva batería es demasiado potente? ! Esperamos que pueda producirse en masa lo antes posible y usarse en nuestros teléfonos móviles lo antes posible, para que podamos abandonar el voluminoso banco de energía lo antes posible. Pero ¿cuál es la situación real? Empecemos por el origen de este invento. ?

En 2015, el grupo de investigación de Dai Hongjie en la Universidad de Stanford publicó un trabajo de investigación en la revista Nature. Utilizaron espuma de grafito craqueada a alta temperatura para fabricar electrodos positivos y, por primera vez, crearon una batería de iones de aluminio. Alta capacidad específica y largo ciclo de vida. Inspirado por esto, el grupo de investigación del profesor Gao Chao de la Universidad de Zhejiang intentó utilizar películas de grafeno para fabricar electrodos para baterías de aluminio. ?

La batería de iones de aluminio desarrollada por la Universidad de Stanford, así como el material del cátodo de la batería. ?

“El rendimiento de la batería depende fundamentalmente del estado de los electrones y los iones que 'corren' entre los electrodos positivo y negativo". El profesor Gao Chao, líder del equipo de investigación, dijo que el material del electrodo. debe tener tantos electrones como sea posible. Correr suavemente con iones o volver a su posición rápidamente. Si no hay suficientes caminos o los caminos están congestionados, el rendimiento se verá afectado. ?

Después de un año y medio de exploración y acumulación, el equipo de Gaochao propuso los principios de diseño de "tres máximos y tres continuos" para materiales de cátodos de grafeno. Los "tres máximos" se refieren a la alta calidad, la alta orientación y la alta porosidad de la microestructura; los "tres continuos" se refieren a la red conductora continua, los canales continuos de transmisión de iones y los canales continuos de intercalación de iones en la macroestructura. En principio, este diseño supone un gran paso adelante en el rendimiento de las baterías de aluminio y grafeno. Anteriormente, la capacidad específica de las baterías de aluminio rondaba los 60 mAh/g, y el número de cargas y descargas repetidas puede ser de miles de veces.

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El "Taishan Beidou" en la industria de las baterías recargables: ¿baterías de iones de litio?

La batería recargable más común disponible actualmente en el mercado es la batería de iones de litio. La batería de iones se remonta a 1970. Fue propuesta por primera vez por el profesor M.S. Whittingham de los Estados Unidos en 1985. Fue desarrollada con éxito por el equipo de Akira Yoshino que trabajaba para Asahi Kasei Co., Ltd. en Japón en 1985 y luego comercializada por Sony en 1991. En total, fueron necesarios más de 20 años. ?

Aunque su rendimiento relativamente estable puede cumplir con los escenarios de uso general actuales, el litio metálico es un metal raro caro y reactivo. Esto significa que el costo de las baterías de litio no se reducirá a un nivel muy amigable. Al mismo tiempo, los riesgos de seguridad de las baterías de litio en muchas ocasiones especiales deben llamar nuestra atención sobre las regulaciones relevantes de la industria de la aviación para el transporte y. El envío de baterías de litio es exactamente evidencia de preocupaciones de seguridad sobre las baterías de litio en entornos no convencionales. ?

Posteriormente, los científicos desarrollaron baterías de sodio y baterías de aluminio en el laboratorio para reducir costos. Entre ellos, el aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre, es barato y seguro, y es un material de electrodo negativo ideal para la preparación de baterías. Pero a lo largo de los años, el rendimiento general de las baterías de aluminio ha seguido siendo inferior al de las baterías de iones de litio y los supercondensadores. La cuestión clave que enfrenta la tecnología de baterías de aluminio es diseñar materiales catódicos que puedan combinar con el aluminio y funcionar de manera eficiente. Sólo así se podrá ejercer realmente su excelente rendimiento electroquímico. ?

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El profesor Akira Yoshino y el primer prototipo de batería tubular de iones de litio que diseñó para experimentación. ?

El profesor Gao Chao señaló que la capacidad específica del cátodo actual, el voltaje de salida y la capacidad de carga superficial de las baterías de aluminio todavía tienen mucho margen de mejora, y la densidad de energía no es suficiente para competir con las de litio. En el futuro, será necesario aumentar aún más la densidad de energía manteniendo una alta densidad de potencia. Además, los electrolitos líquidos iónicos clásicos actuales son relativamente caros. Si se pueden encontrar electrolitos más baratos, las perspectivas comerciales de las baterías de iones de aluminio serán más amplias. Cualquier nueva invención será difícil de comercializar si el costo no se controla a un nivel aceptable para el mercado. ?

¿Máquina de recubrimiento a gran escala en taller de producción de baterías de iones de litio?

Nuevos avances en baterías ecológicas: ¿se tardará al menos de 8 a 10 años en comercializarse?

Recientemente, en los últimos 20 años, todas las partes de la sociedad han buscado las baterías verdes, como industria central en la nueva industria energética. El gobierno ha aumentado la inversión y la comunidad de investigación científica también está entusiasmada con ello. Constantemente se publican artículos publicados en las principales revistas internacionales Nature y Science, que afirman haber logrado algún tipo de avance tecnológico. La esencia de estos artículos es declarar al mundo que han desarrollado un nuevo material de batería o han descubierto algún mecanismo clave. ?

Sin embargo, es posible que los lectores no sepan que la mayoría de los prototipos de baterías en el laboratorio son similares a las baterías de botón utilizadas en los relojes. La celda de batería comercial es un tipo de batería llamada 18650. Es un modelo de batería de iones de litio estándar establecido por la empresa japonesa SONY, creadora de las baterías de iones de litio, para ahorrar costos. 18 significa un diámetro de 18 mm, 65 significa una longitud de 65 mm y 0 significa una batería cilíndrica. . Ya sea una fuente de alimentación móvil, una computadora portátil o las celdas de un auto deportivo eléctrico Tesla, todos son este tipo de batería. La producción de este tipo de núcleo de batería requiere el uso de equipos profesionales a gran escala para la producción y el montaje en un taller de fábrica cerrado y libre de polvo. El laboratorio obviamente no tiene esta condición. Incluso si investigaciones posteriores pueden encontrar un electrolito de bajo precio como material alternativo al electrolito líquido iónico, la comercialización tardará al menos de 8 a 10 años para resolver el problema desde los prototipos de baterías de laboratorio hasta las celdas de baterías comerciales. ?

¿Batería 18650 y batería de botón 2032?

Hablando de laboratorios, además de los laboratorios nacionales en universidades y colegios, los laboratorios afiliados a empresas también desempeñan un papel muy importante. Por ejemplo, el mundialmente famoso Laboratorio Central Xerox en los Estados Unidos en la década de 1970, nació en este laboratorio casi todas las tecnologías importantes necesarias para la revolución informática. Algunas personas dicen que en ese momento, la mitad de los mejores talentos informáticos del mundo trabajaban aquí. ¿Crees que son buenos o no? Se dice que fue cuando Jobs visitó el laboratorio Xerox cuando vio por primera vez la interfaz gráfica de usuario y el mouse. Estaba tan emocionado que se sonrojó y cuando regresó lo usó en una computadora Apple. ?

De hecho, Xerox no era la única que contaba con un laboratorio central de este tipo afiliado a una empresa. Aún más famoso es Bell Labs, que en ese momento era propiedad de AT&T.

Desde su creación, Bell Labs ha obtenido más de 27.000 patentes de invención, un promedio de 4 patentes por día laborable, y también ha ganado 8 premios Nobel, más que la mayoría de los países. Sin embargo, después de tantos años, las únicas cosas que recordamos y que realmente utilizamos en nuestras vidas son las computadoras personales, las impresoras láser, los ratones y las interfaces gráficas de usuario. ?

El desarrollo de la industria de las baterías ahora está impulsado más por microinnovaciones dentro de la empresa, como la proporción de materiales del cátodo, la tecnología de recubrimiento de materiales, la tecnología de ensamblaje de baterías y otros detalles. ?

Para decirlo sin rodeos, para la investigación científica corporativa, basta con saber qué está sucediendo, pero no por qué. Lo importante es saber qué hacer, encontrar la solución, sin tener que estudiarlo todo a nivel de ciencia básica. ?

De hecho, la ciencia y la tecnología son dos cosas diferentes. Nuestros ancestros primitivos sabían cómo arrancar rocas con palos, lo cual es tecnología, no tenemos que esperar hasta que Arquímedes propuso el principio de la palanca, eso se llama ciencia; Watt mejoró la máquina de vapor, mientras funcione, eso es tecnología; no necesariamente tiene que quedar claro el principio del trabajo del vapor de agua, eso se llama ciencia. ?

El propósito de la investigación científica es servir a la sociedad, y cada artículo publicado en una revista tiene su significado. La revista estipula que su importancia debe quedar claramente establecida en el resumen y la conclusión del artículo. Sin embargo, estos significados se expresan en términos rigurosos y profesionales, que son difíciles de entender para los investigadores científicos que no están en este campo de investigación, y mucho menos para los investigadores no científicos comunes y corrientes. En cuanto a los informes llamativos en los medios, su finalidad es simplemente llamar la atención. La próxima vez que vea noticias como esta que acaparen titulares, trátelas como noticias de entretenimiento.