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长续航力电池将面临哪些挑战

2019-08-15 18:33:11来源:励志吧0次阅读

  长寿命(Long-life)电池的正确选择,即使在非常低的放电状态,其重要性都远过对基本电流-和-时间(Current-and-time)电池容量的分析。

  对长寿嵌入式应用的兴趣增长的状况就如同远端数据纪录或电表带来的无穷工程问题:我们如何驱动或为这些设备充电?这些通常在恶劣环境下工作的装置,在一个小电池供电且不常受到关注的状态下,需工作10、20甚至更多年。

  对于只要求能持续工作几年、生命周期较短的装置,其电池决策分析从耗用电流的基本分析开始,如电池各种占空比,以及营运模式与电池容量(mA/hour)的比较,如此可以得到相当复杂,杂的应用与操作周期,但这并不会太难,至少可以在最坏的情况下设定一个上限。然而,当装置需要运作10年或更长时,负载电流的基本电子分析和电力的容量都只是个小小的影响因素,诸如自放电、化学变质和外壳腐蚀都将成为主要问题。

  当我读到刊登在航太与国防技术(Aerospace Defense Technology)的 设计和制造一个几十年的电池(Designing and Fabricating a Multiple-Decade Battery) 文章时,造成为什么我会对电池寿命很好奇的原因。本文详细介绍基于放射性衰变的热电产生器(Thermoelectric generator,TEG),在理论上可以运行150年,该架构使用我以前从来没有看过的一个两步骤过程,一为衰变产生光;接下来则是利用太阳能电池产生电力。作者在文章暗示这样的方式效率较低,可惜文中并未列出确切转换效率数字,但我怀疑是在小于5%的范围内。

  这个看似简单的符号背后所指的是电化学,甚至放射性作用的复杂世界。

  热电产生器透过放射性衰变充电的方式已成功使用10多年,特别是太阳辐射最小的太空船。这些热电产生器是使用一个基于单级转换处理放射性衰变的热能,而不是二分法(Two-step Process)的光子,与塞贝克连接点(Seebeck-junction)热电偶从衰减热量产生的电力。

  这样的方式为1977年发表的Voyager 1号与2号机提供电力,这两辆太空船目前仍在太空旅行并持续传送数据回地球,即使他们已越过太阳系的模糊边界进入另一个外太空(Exospace)。(编按:本文作者提到的太空船出处是由Stephen J. Pyne所写的Voyager: seeking newer worlds in the third great age of discovery一书喔~)有一些利用热电偶从引擎捕捉余热工作也正在进行,但这些研究该如何变为实际(成本、可靠度、尺寸与效率)目前仍还不清楚。

  当然!理论上你可以根据所需使用的时间,透过使用更多的磁芯材料,制作一个以衰变为基础的电池,但问题是,装置多长时间需要休息,以及在电子恶化或分崩离析前,电子将如何持续运作在应用程序中,这都与放射性衰变机制的本身无关。但是如果电池不符合过去100多年来的需求,今天将不会有人环绕在当下去指责这些工作。

  我也读到其他关于长续航力电池的两篇文章,其中一篇高科技电池选择合适的电池(Choosing the Right Batteries for High-Tech Batteries),是来自美国国家航空暨太空总署技术简报(NASA Tech Briefs)着眼于各种化学物质的属性,尤其是许多有趣的锂电池家族的变种,这篇文章用一句话来说就是:很复杂。当你需要10几年、甚至在很非常低的电流或低速率脉冲循环下使用电池,会需要分析许多因素,例如自放电和温度额定值,此外,mA-Hr容量也成为众多考量的参数之一。

  虽然上述文章的作者是出身自一间知名的电池厂商(Tadiran),且或许观点有些偏差,我宁愿听从真正在该领域已开发出产品的某些人士的研究纪录,以及产品微妙的制造及生产问题,而不仅仅是一个学术专家。(编按:作者的意思白话的说就是 他不太信任纸上谈兵的专家的论点啦 )同一家电池供应商也有一小篇 为你的无线感测器供电40年(Power Your Wireless Sensors for 40 Years) 的文章,这篇短文和前面提到的文章有部分重叠,不过也增加了一些新的资讯。

  你会涉及决定长续航力电池的选择吗?你如何评估在复杂操作周期电池所需的基本电力容量?你又如何决定长续航力电池的外型与化学材料会是可行的呢?

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