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 is a “mysterious energy field created by life that binds the galaxy together.” Those who are sensitive to the energy of the Force like Jedi and Sith are granted powerful abilities. The Force is also known to have a will of its own, which is not fully understood by scholars [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]

We know lightsabers need to be re-charged on occasion since the Star Wars Visual Dictionary reveals they have external charging ports, and Qui-Gon tells Obi-Wan in Episode 1, “You forgot to turn your [lightsaber] power off again didn’t you? It won’t take long to recharge, but this is a lesson I hope you’ve learned…” [6] This confirms they contain a rechargeable energy storage device (battery). In the Star Wars universe, we know this energy storage source as a “diatium power cell” [7, 8], but 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？

Lightsaber’s belonging to (L to R) Qui-Gon Jinn, Obi-Wan Kenobi, and Anakin Skywalker. Star Wars Episode I: The Visual Dictionary, and Star Wars The Visual Dictionary by Dr. David West Reynolds

分析光剑

A 瑞特-阿莱恩博士以前的研究 calculated the amount of energy required by a lightsaber using the scene from Star Wars Episode I, where Qui Gon Jinn is cutting through a large metal door. The thermal energy needed to melt steel or other hypothetical material can be calculated. Liberal estimates have been used since we do not know the true material properties of the blast doors, nor do we know how long it would take to cut through the door. The generous estimates used to calculate the power requirements for the lightsaber yield ~2.016×10^8 J of energy and 28kW of power [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

Since Kyber crystal’s 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。

Their connection to the Force is what allows Kyber crystals to power the lightsaber’s plasma blade and the magnetic field that contains it. Once a lightsaber is activated from the energy stored in the diatium power cell, Kyber crystals act as a conduit to power the weapon through the Force and continually recharge the internal power cell (battery).

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] published in Wiley’s Angewandte Chemie (Applied Chemistry) scientific journal has shown a new type of crystals known as “CBGO” that are over 13x more efficient than widely used potassium dihydrogen phosphate crystals. CBGO crystals are capable of “causing abrupt changes to energy that passes through them,” and can double the frequency of a laser beam [12]. This supports the concept of the “right” crystal being able to amplify energy to power a great weapon.

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 Yoda used to lift Luke’s X-Wing fighter out of the swamps of Dagobah [15]. These two cases show 3kW and 19.2kW of power, respectively. This is already close to the 28kW of power needed by Qui Gon Jinn to cut through the blast door with his lightsaber in The Phantom Menace; 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]

Therefore, the question about Earth’s battery technology to power a lightsaber is not about power density to pack 28kW in the size of a flashlight, but 循环寿命 since lightsaber “batteries” can be recharged, but are expected to last more than a lifetime.

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

The batteries that power our gadgets here on Earth have historically been limited to 100’s of cycles or in the low 1000’s in some extreme cases. This limit of cycle life is not sufficient for a lightsaber, nor is it sufficient for modern electric vehicles and grid storage applications facing us today. Over the past decade tremendous advancements have been made with lithium-ion and other battery chemistries. Researchers are aiming for batteries with cycle life in the 10,000’s and 100,000’s range, which would begin to match the performance seen from lightsabers.

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 to develop and utilize new “高精度电池测试设备” that would be capable of seeing the smallest changes happening in a battery [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）。
The need for longer-lasting EV batteries over the past decade has raised cycle life goals similar to what lightsaber’s require.
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 source when battery currents are greater than 2A. Leading industry partners around the world are utilizing this technology to accelerate battery research. Learn more about how advanced battery test equipment empowers new research on Arbin’s website: https://classic.arbin.com/evaluating-battery-test-equipment-intro/.