光剑电池分析

10月 3, 2019

最近的电动汽车电池研究如何创造出适合光剑的电池。
通过理查德-罗杰斯

星球大战第五集：帝国反击战》（1980年）导演：欧文-克什纳。表演者：马克-哈米尔和大卫-普劳斯。通过starwars.fandom.com [1] 。

光剑传说简介

很少有物体能像 "小白 "那样吸引我们的想象力。光剑有。来自遥远的银河系的标志性武器已成为善与恶、光与暗之间战斗的象征。发光的剑身一眼就能认出，并揭示了持剑者的本质。光剑的颜色表明他们是作为绝地武士追求和平与和谐，还是作为西斯武士追求力量和权力。这些颜色和剑身本身都来自于 "光剑"。凯伯晶体在刀柄上有一个为武器提供动力的装置[2]。

光剑的剑身是一种通电的等离子体，能够切割大多数材料[3]。传统上，绝地武士在生命的早期就开始寻找水晶并制造他们的第一把光剑。据说Kyber水晶对原力敏感，并与挥舞它们的绝地结合在一起；根据绝地个人的性质而呈现出不同的颜色。如果是西斯或暗面使用者，凯伯晶体也可以通过原力征服，这将导致晶体变成红色[4]。

军队是一种 "由生命创造的神秘能量场，将银河系联系在一起"。对 "原力 "能量敏感的人，如绝地武士和西斯武士，会被赋予强大的能力。众所周知，"原力 "也有自己的意志，但学者们对此并不完全了解[5]。

星球大战第一集：幽灵的威胁》（1999年）由乔治-卢卡斯导演。表演者：伊万-麦克格雷格和利亚姆-尼森。通过starwars.com [9]

我们知道光剑偶尔需要充电，因为《星球大战视觉词典》显示光剑有外置充电端口，而且奎刚在第 1 集中告诉欧比旺："......"。你又忘了关掉你的光剑电源了吧？充电用不了多长时间，但我希望你能吸取教训......"6] 这就证实了它们包含一个可充电的储能装置（电池）。在《星球大战》宇宙中，我们知道这种能量储存源是 "矽能电池"[7, 8]，但是 它与我们今天的锂离子电池技术相比如何？ 我们离能够为这个吸引了我们40多年想象力的标志性武器提供动力还有多远？

属于（从左到右）奎刚-金、欧比旺-克诺比和阿纳金-天行者的光剑。星球大战第一集：视觉词典》和大卫-韦斯特-雷诺兹博士著的《星球大战视觉词典

分析光剑

A 瑞特-阿莱恩博士以前的研究利用《星球大战》第一集中奎刚-金（Qui Gon Jinn）切开一扇大铁门的场景，计算出光剑所需的能量。融化钢铁或其他假设材料所需的热能也可以计算出来。由于我们不知道防爆门的真实材料特性，也不知道切开防爆门需要多长时间，因此使用了宽松的估计值。计算光剑所需功率时采用的宽松估计值得出了 ~2.016×10^8 J 的能量和 28kW 的功率 [10]。

具有这种能量的电池小到可以装在光剑柄上，远远超出了我们今天在银河系所拥有的任何技术。然而，这些研究没有考虑到光剑中的一个关键部件和星球大战宇宙的标志。 凯伯晶体. 对Kyber晶体的计算创造了一个非常不同的画面，它可能比我们想象的更接近现实。凯伯晶体不产生能量，但它们通过原力成倍地放大和引导能量，所以光剑只需要一个小的硅质动力电池就能运作。

内部电池]只需要提供启动光剑的边际能量，概念上类似于电池和火花塞启动汽车引擎的方式。

凯伯晶体和原力

由于 Kyber 晶体的 渠道和放大 原力能量，光剑中的电池（硅动力电池）并不需要单独满足动力需求。它只需要为激活提供边际能量，概念上类似于电池和火花塞启动汽车引擎的方式。这也解释了为什么非原力使用者可以在不引导原力的情况下挥舞光剑，因为水晶和光剑仍然有来自硅动力电池的边际能量，但只有真正的绝地或西斯与原力结合才能释放出武器的全部潜力。

它们与 "原力 "的连接使 Kyber 晶体能够为光剑的等离子刀刃和包含刀刃的磁场提供能量。一旦光剑从二钛动力电池中储存的能量中激活，凯柏水晶就会充当通过原力为武器提供能量的通道，并不断为内部动力电池（电池）充电。

人类还没有发现能够引导像原力这样几乎无限的宇宙能量来源的晶体，但有一个最近的研究 [11]发表在 Wiley 的 Angewandte Chemie（《应用化学》）科学杂志上的文章显示，一种被称为 "CBGO "的新型晶体的效率是广泛使用的磷酸二氢钾晶体的 13 倍以上。 CBGO 晶体能够 "使通过它们的能量发生突变"，并能将激光束的频率提高一倍 [12]。这支持了 "正确 "的晶体能够放大能量为强大武器提供动力的概念。

侠盗一号：星球大战的故事》（2016年）导演：加雷斯-爱德华兹。表演者：斯宾塞-威尔丁。通过TheForce.net [13]

我们不知道原力在《星球大战》宇宙中到底是如何运作的，但我们有几个例子可以帮助衡量它的力量。 Dr.瑞特-阿莱恩计算出的功率达斯-维德通过原力举起人所展示的[14]，以及工程师Randall Munroe计算出的功率尤达曾用它将卢克的 X 翼战斗机从达戈巴的沼泽中托起[15]。这两个案例分别显示了 3 千瓦和 19.2 千瓦的功率。这已经接近《魅影危机》中奎龚-金用光剑切开爆炸门所需的 28kW 功率；这进一步证实了它主要是由引导原力的宇宙能量的Kyber晶体提供动力，而不是由锂离子动力电池提供动力。

星球大战第五集：帝国反击战》（1980年）导演：欧文-克什纳。表演者：弗兰克-奥兹。通过starwars.com [16]

因此，关于地球为光剑提供动力的电池技术，问题不在于将 28 千瓦的功率密度装入手电筒的大小，而在于 循环寿命 因为光剑的 "电池 "可以充电，但预计其使用寿命将超过一生。

为光剑供电的电池技术问题不是在手电筒大小中装入28千瓦的能量密度，而是 循环寿命.

电动汽车（EV）研究引领电池趋势

在地球上，为我们的小工具提供动力的电池历来只能循环 100 多次，在某些极端情况下甚至只能循环 1000 多次。这种循环寿命的限制对于光剑来说是不够的，对于我们今天所面临的现代电动汽车和电网存储应用来说也是不够的。在过去十年中，锂离子电池和其他化学电池取得了巨大进步。研究人员的目标是使电池的循环寿命达到 10,000 至 100,000 次，从而开始与光剑的性能相媲美。

对电池研究人员来说，最大的挑战之一是测试一个预计可持续10,000次以上循环的电池需要多长时间。当一个电池预计只能持续1000次循环时，传统上会对其进行几百次充放电循环测试，以准确预测寿命。然而，现在电池需要持续10,000次以上的循环，使用传统的充放电循环来估计电池的退化变得过于耗时，并使开发过程陷入瓶颈。在过去的十年中，电池技术的进步相对缓慢，部分原因是对新材料进行研究和预测电池在10,000次以上的寿命中的退化需要多长时间。

一个新的希望

有希望了! 电动汽车电池研究人员不仅一直在研究新的电池材料，他们还一直在研究测试电池的新方法，以加快开发进程. 福特汽车公司与电池测试设备制造商阿滨仪器公司和桑迪亚国家实验室合作开发和利用新的"高精度电池测试设备"，能够看到电池中发生的最小变化[17,18]。

这一突破在电池测试设备技术 [19]使新的测试方法和数据分析成为可能。看到电池中发生的最微小的变化使研究人员和 AI [20]为电池的早期预测创造新的和改进的指标，并加速将新电池材料推向市场的进程。

电动汽车电池测试也有从恒定的充电/放电循环，到包括温度控制在内的非常动态的真实世界循环曲线的趋势。研究表明电池必须以符合其最终应用的方式进行测试，以获得对其长期性能的准确预测[21]。在过去的十年中，电动汽车的应用是电池研究背后最强大的驱动力之一。因此，世界各国政府已经创建了几个标准化的，但高度动态的循环配置文件，用于测试电动汽车电池 [22]. 大多数电动车制造商也已经开发了他们自己的真实世界测试档案和指标，以评估他们的电池技术。

锂离子以外的新电池材料也在研究之中。近年来，硅、钠、硫、固态电池和金属空气电池都受到了关注，因为它们都有可能成为新的电池。 下一代 解决办法。 A 金属空气电池的最新突破已将电池的循环寿命从<100个提高到3000个以上[23]。这仅仅是许多杰出的科学家不断扩大电池化学和性能界限的一个例子。像这样持续的技术飞跃是我们为实现电动车电池和光剑循环寿命的目标所需要的。

那么，我们是否拥有用于光剑的电池技术？

我们已经了解到以下情况。

光剑是由Kyber晶体提供动力的，其内部的能量储存源（硅动力电池）只是用来激活等离子刀，而不是为其提供动力。
光剑的内部硅动力电池是可以充电的。
镭射动力电池必须有巨大的循环寿命，以超过许多挥舞者的寿命（至少50-100年）。
在过去的十年中，对更长寿命电动汽车电池的需求提高了循环寿命目标，这与光剑的要求类似。
更持久的电池的主要挑战之一是在开发过程中需要多长时间的测试来预测10,000次以上的寿命。
美国政府和领先的工业企业[福特、阿尔宾、桑迪亚]在过去5年中支持电池研究人员使用的测试设备的重大技术进步，这将加速开发过程和周期寿命指标。
真正的高精度电池测试设备使研究人员能够在测试早期看到退化的趋势和迹象，而这是劣质测试设备所无法辨别的。

该结论是一个 有条件的 是现代化的锂离子电池和其他先进的化学电池可以达到光剑所要求的循环寿命，并且只在不断改进。随着真正的高精度测试设备得到更广泛的使用，以及人工智能开始分析数据，改进的速度预计会增加。然而，光剑仍然需要Kyber晶体来放大和引导原力的宇宙能量，这在我们的银河系还没有被发现。

阿滨仪器 是真正的高精度电池测试设备的领先制造商。只有当电池电流大于 2A 时，就会产生电流源。全球领先的行业合作伙伴正在利用这项技术加速电池研究。有关先进电池测试设备如何促进新研究的更多信息，请访问 Arbin 网站： https://www.arbin.com/evaluating-battery-test-equipment-intro/.