手机电池技术的进步为什么这么难?

手机电池这件事一直很耐人寻味,电池技术的发展已经不是一天两天,为什么电池却一直没有什么大的突破呢。

文︱单人旁

图︱网络

 

近日,据外媒CNET的消息,三星正在研究锂离子电池的替代品。据Twitter爆料大神Evan Blass称,三星有望在2020-2021年间推出至少一款配备石墨烯电池的手机。其实,这已经不是第一次有消息称手机电池将会有革命性进步,早在2015年就有这种类似的传闻。三星也并未官方回复,所以消息真伪我们无从得知。但是手机电池这件事,却一直很耐人寻味,电池技术的发展已经不是一天两天,为什么电池却一直没有什么大的突破呢。

电池技术一直是制约手机、笔记本等电子设备甚至新能源汽车发展的主要因素。尤其在智能手机完成了从硬件、软件到设计等一系列跨越式发展的背景下,电池已成为“吐槽”最多的部件之一。身边很多朋友都被电池搞得挺严重的,电量不是100%的话,他们就神经绷紧,一定要去找根线插上。

在功能机时代,手机的满电续航时间通常都在2-3天甚至更长也不稀奇,但到了大屏智能机时代,手机的续航水平却一下子降到了一天,甚至还不到。为什么电池的发展就不适用摩尔定律?为什么减小体积,增大容量对电池来说就那么难?电池的发展究竟经历了怎样的历程?

 

发展

上世纪80年代,世界上第一款真正意义的手机摩托罗拉DynaTAC8000X上市。这款大哥大,重达2傍(907g),售价达到了3995美元!约合25261人民币!这款手机笔者没用过,更是连见都没见过,只知道谁能用上大哥大谁就是村里最靓的仔。

那么它的电池呢?瑞典的瓦尔德·马琼格尔在1899年发明出了世界上第一块镍镉电池(Nickel-cadmium battery,通常简称NiCd,读作「nye-cad」),这种电池以氢氧化镍(NiOH)及金属镉(Cd)作为产生电能的化学品。通过一系列的改进,这款电池被配置在了DynaTAC8000X上。

DynaTAC8000X(天线旁边就是它的镍镉电池)

来,咱凑近点看看他的电池长啥样。

电池仓内部构造

作为世界第一款手机,现在手机的老祖宗,要求不能太苛刻。六枚圆柱电池被胶带捆绑,组成一套输出电压为 7.5V 的电池组。相比如今普遍 3.8V 的电池电压来说,功耗要高出不少。你一定想说,功耗高出这么多,它的性能一定十分喜人吧。嗯,是的,它真正做到了通话20多分钟,充电10小时。

大哥大除了续航时间短,充电时间长之外,镍铬电池的记忆效应也十分严重,用户不能像现在手机这样想啥时候充电就啥时候充,必须要用完电池所有电量,不然电池容量长此以往会逐渐缩水。而当时设计师们则着改进内部空间,以让电池所占用的体积更小,并且通过采用新的技术优化电路,降低功耗,从而在不断革新中降低了手机的体积。虽然当时一直为人所诟病,但用户也没得选择,你爱用不用。

80年代市面流通电池

但是哪里有压迫哪里就有反抗,到了90年代,半导体电路技术的飞跃发展,导致手机设计越来越小,可以说那时候,哪家厂商的手机越小,那它就是爆款。但唯独电池的体积,却并不能像整机那样成比例的缩小。

这难不倒想赚钱的手机厂商们,1990年,能量转换装置公司(Ovonic Battery Co.)发明了镍氢电池这种电池技术成本并没有比镍铬电池增加多少,但电池容量却有了显著提升。并且相比镍铬电池,镍氢电池不仅更加环保,而且记忆效应也要好了很多,是非常理想的替代产品。

摩托罗拉成了第一个吃螃蟹的人,这款电池被用在了摩托罗拉 StarTAC上,这款手机的电压也从传统的7.5V降到了3.6V,并且更加小巧,手机外形也从大哥大跨越至洋气的翻盖风格,可谓摩托罗拉为改革者。

StarTAC

 

StarTAC镍氢电池

 

现状

90年代末期,日本石化巨头朝日化学的一个研究小组采用了钴酸锂作为正极,石油焦炭作为负极,溶解有高氯酸锂的PC作为电解液组装出第一个电压接近4V的可充电电池,并且合理地选择了铝和铜分别作为正负极的集流体。索尼得知后,立刻花重金买了这项技术。几乎在交易达成的同时,索尼内部至少成立了六只技术攻关小组,采用类似赛马的机制进行技术开发。他们将负极材料从石油焦炭换成石墨,把电解液材料重新换成了被抛弃20年之久的EC,最终完成了最后的突破。锂离子电池时代,终于到来。1990年2月14日这一天,索尼正式对外发布了一款全新的锂离子可充电电池。

锂电池全方面超越(来源 :AESC)

锂电池的出现,彻底解放了人们对手机的想象,也让手机的得以以各种天马行空的样式出现在人们眼前,各种眼花缭乱的手机功能也逐渐绽放。手机电池的形态一直在进化,并潜移默化的影响着手机的呈现方式,锂电池也一直沿用至今。还是那句话,一项技术的进步,必将带动其他产业共同发展,一人得道,鸡犬升天。

锂电池的应用 手机销量增速(来源:《新型电池竞争与战略》)

2007年,苹果发布iPhone,正面一块大屏,一个按键,一个听筒,就是你看到的全部。如此极简的设计引起不小轰动,也开创了智能机的时代,一直延续至今。然而,在智能机时代下,电池再次成为制约手机发展的瓶颈,因为手机的续航时间再次回到一天一充的水平。

iPhone电池发展

电池的发展似乎又遇到了瓶颈期,没有新技术的出现来打破这种局面,那就只能继续在电池上面做文章了。

苹果用 iPhone X 告诉我们,一个锂离子电池解决不了的问题,那我们就用两个来解决。但根本问题在于电池依然占据绝大部分空间,手机的续航也并没有突出表现。

iPhoneX双电池设计

 

展望

诺基亚、摩托罗拉为代表的传统手机厂商在行业变革中失去了自身的位置,嵌入式的方形锂电池也失去了市场。2016年在主要的应用领域手机市场,方形锂电池只剩下18.6%的份额,一半用于低端的智能手机,一半用在传统功能机上。软包电池近些年包括后几年,预计都将成为主流电池。

根据锂电联盟会2017年计数据显示,软包锂电池在3C领域的产量占比接近70%,未来这一数字有望继续提升。

3C市场软包电池占比逐年提升

而近十年是手机电池容量发展速度非常快的时期,智能手机电池基本上做到了100%的能量密度提升,平均每年7.2%的增长率。手机电池能量密度有了一个巨大的飞跃,增幅大概为40%。今后电池性能的提升趋势,一是提升容量,另一种则是采用新型电池。

 

快充电池

智能手机的普及增加手机的耗电量,加快了对快充技术的要求。目前行业普遍利用高压充电增大充电传输功率来减少充电时间,因此保证能量密度的情况下,提高锂电池对于快速充电的容受能力是技术发展的关键。

 

多电芯电池

目前解决手机耗电量逐渐增大的另一解决方案是多电芯电池,超长待机时间使得双电芯方案可能成为电池发展的下一个领域。多电芯电池的使用使得Pack厂大幅受益。电芯数量越多,需要的电池Pack及BMS技术越复杂,对pack厂商技术要求更高,因此,pack环节上的附加值越高。

 

锂硅电池

2018年3月,美国的两家科技企业Sila Technologies 和 Angstron Materials宣布开发出了一种新的锂硅电池技术,并宣称在未来几年内,这种新型电池技术能够落地生产,让手机、汽车、智能手表电池增加30%甚至更多的电量。

 

大容量锂离子电池

2018年7月,美国西北大学研究团队宣称研发出一种全新材料,可用于制造性能稳定的大容量锂离子电池,从而大幅提升智能手机、电动汽车等的续航时间,甚至可以延长到目前的两倍多。

 

固态电池

和锂电池不同,固态电池采用固态的电解质,因此锂电池电解液漏液的情况在固态电池身上根本就不会发生,这也就意味着后者的安全性会更高。

从近年来电池的发展可以预见,手机电池仍将按照环保、安全、耐用的趋势发展。我们目前身处在一个技术爆炸的时代,相信在不久的将来,手机将用上更轻薄、更安全、更耐用、更环保的电池,以应对未来手机担负的更多功能。





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