鉅大LARGE | 點擊量：1027次 | 2021年11月02日
鋰離子電池技術(shù)發(fā)展不符“摩爾定律” 續(xù)航難題何去何從？
為趕在蘋果公司九月公布會之前推出新品，七八月份各個手機廠商開始密集公布新款手機。面對更快的處理器，更清晰的屏幕，更高像素的攝像頭，人們有關(guān)智能手機性能的需求已經(jīng)得到充分的滿足，但仍有一項參數(shù)難以讓消費者滿意，便是手機電池的續(xù)航時間。
雖然各個手機廠商都在公布會上聲稱自己的產(chǎn)品使用了大容量電池，但手機一天一充的現(xiàn)象還是普遍存在，在用戶頻繁使用的情況下，手機電池甚至堅持不了一個白天的時間。有關(guān)時時刻刻離不開手機的“低頭族”來說，最恐慌的事情莫過于手機出現(xiàn)低電量提醒，就算性能再優(yōu)秀，一旦電量耗盡，手機也會立刻變得無用武之地。
近年來，智能手機的發(fā)展速度已經(jīng)超過了摩爾定律，據(jù)估算，從2005年到2015年間，智能手機處理器主頻上升率1500%，攝像頭像素上升率達到5000%。面對手機性能的幾何級數(shù)上升，手機電池技術(shù)的發(fā)展卻顯得腳步緩慢，10年間，智能手機電池的能量密度雖然平均每年提升7.2%，電池容量也新增了一倍，但手機待機時間卻未有質(zhì)的改變。手機電池續(xù)航能力弱已經(jīng)成為用戶使用智能手機的最大痛點，也成為制約智能手機發(fā)展的最短板。
手機電量為何總不夠？
用戶總是抱怨手機電量不夠用，不妨先了解一下供應(yīng)續(xù)航電量的這塊電池。目前，絕大多數(shù)手機所采用的都是鋰離子電池，鋰離子電池技術(shù)早在20世紀(jì)70年代便問世，但直到1992年，日本索尼公司推出首批商業(yè)化鋰離子電池，它才正式取代了早期“大哥大”手機所用的鎳氫電池。
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鋰離子電池取代鎳氫電池，帶來了數(shù)碼產(chǎn)品電池續(xù)航能力上一次質(zhì)的飛躍，這也讓人們在功能機時代很少對手機電池發(fā)出抱怨。然而，智能機時代到來之后，用戶在使用手機時卻越來越覺得電量“吃緊”。在功能機時代，手機硬件功耗非常少，軟件也十分簡單，所以手機電池的續(xù)航問題并不那么顯山露水。然而，在智能手機時代，手機元器件性能的不斷提升，鋰離子電池的電量也開始有些捉襟見肘。
在智能手機時代，觸屏操作使得用戶不斷追求更大的屏幕，然而，大屏幕配置正是智能手機耗電快的重要原因。“智能手機的LCD屏幕是‘用電大戶’，一旦屏幕被點亮，屏幕的背光模組開始工作，手機的耗電量就會迅速飆升，以一臺正常使用狀態(tài)下的安卓智能手機為例，通過查看電池耗電排行，會發(fā)現(xiàn)屏幕的耗電量基本要占到總量的50%以上，這就是為何廠商標(biāo)榜自己的手機電池可以待機十幾天到幾十天，但在實際使用中電池依然不夠用?！笔謾C硬件測試工程師李興華在接受采訪時說。
從功能機到智能手機，不只是手機屏幕不斷增大，手機功能也越來越強。用戶使用手機不再像功能機時代相同只能選擇自帶的幾項功能，而是可以根據(jù)需求安裝不同的應(yīng)用程序。這導(dǎo)致在實際使用中，由于部分程序一直在后臺調(diào)用GPS等功能，就會導(dǎo)致GPS模塊、通信模塊以及soc芯片持續(xù)工作，從而使得電池電量被快速消耗。
除此之外，在手機屏幕不斷變大的情況下，為便于操控，用戶也越來越追求手機輕薄化，這也在一定程度上限制了手機電池的續(xù)航能力。手機廠商過于追求輕薄設(shè)計的趨勢下，經(jīng)?？梢钥吹揭恍┢炫灆C型的續(xù)航能力尚不及前作的表現(xiàn)。在功能機時代，15毫米的機身厚度屬于常態(tài)，但如今，有廠商開發(fā)了擁有6000mAh電池的智能手機，但機身厚度達到11.9毫米，則被大多數(shù)消費者認(rèn)為機身過于臃腫。
手機元器件性能的不斷提升和機身的不斷變薄導(dǎo)致了鋰離子電池技術(shù)難以跟上腳步，而手機電量吃緊的另一個原因，則是“手機依賴癥”的不斷蔓延。在過去，除了打電話、發(fā)短信，人們很少會一直盯著手機。而如今，手機已經(jīng)被人們時時握在手中，發(fā)微信、刷微博、打車、導(dǎo)航、購物、游戲、辦公等，人們的生活已經(jīng)徹底與手機綁定在一起，每天使用手機的時間不斷上升，手機電量自然越來越難以滿足需求?！巴瑯訐碛酗@示屏，同樣要計算，但人們有關(guān)數(shù)碼相機的鋰離子電池就少有抱怨，因為絕大多數(shù)用戶有關(guān)數(shù)碼相機的使用頻率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于智能手機的，并且在人們?nèi)粘Ｊ褂弥悄苁謾C時，導(dǎo)航、游戲等重度使用場景越來越多，加之在智能手機大屏化、輕薄化的趨勢下，形成了手機電量需求提升迅速，供給上漲受阻的局面?！笨萍荚u論人錢晟接受采訪時說。
2012年，人們還在討論智能手機的電池會不會達到3000mAh時，如今，這樣的電池容量已經(jīng)成為各家旗艦機型的標(biāo)配，在鋰離子電池商用的20多年間，經(jīng)過持續(xù)的技術(shù)拓展，鋰離子電池在充電效率、電池容量、發(fā)熱冷卻等方面都在一直進步，但這仍然不能滿足人們對智能手機電池續(xù)航能力的需求，并且鋰離子電池的發(fā)展已經(jīng)步步維艱，每前進一步都異常艱難?，F(xiàn)代電池領(lǐng)域的科學(xué)家、磷酸鋰鐵之父JohnGoodenough也感慨電池研發(fā)已進入瓶頸。鋰離子電池曾經(jīng)是電子產(chǎn)品快速發(fā)展的推動者，如今卻逐漸成為了阻礙智能手機前進的最大絆腳石，面對這樣的局面，手機廠商又該如何應(yīng)對。
曲線救“電”
提升手機電池的續(xù)航能力，最直接的辦法就是將手機電池盡量做大，為在有限的機身空間中做到這一點，越來越多的手機廠商開始效仿蘋果的iphone，將手機電池設(shè)計為不可拆卸。“通過電池和手機的‘一體化’，省去了原來電池的硬殼保護，可以新增電池體積和能量密度”，錢晟對記者說。然而，在手機輕薄化的主流趨勢下，電池的體積不可能無限加大。并且，這種“一體化”設(shè)計的缺點也是顯而易見的，用戶不能再像過去相同準(zhǔn)備幾塊備用電池用于更換，一旦手機電量耗盡就不得不尋找電源進行充電。
手機電池的續(xù)航“不給力”和不可拆卸，甚至催生出一種新的數(shù)碼消費品——移動電源，人們也習(xí)慣稱其為“充電寶”。如今，移動電源產(chǎn)品已經(jīng)形成了一個巨大的消費市場，數(shù)據(jù)顯示，2014年國內(nèi)移動電源市場規(guī)模為165億元，預(yù)計2015年將會上升到220億元，同比上升超過30%。記者在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，目前市面上主流的移動電源產(chǎn)品的電池容量從5000mAh到50000mAh不等，有的更是標(biāo)注到80000mAh。而移動電源產(chǎn)品的售價也從幾十元到上千元不等，采用太陽能和手搖充電的另類“充電寶”也層出不窮，不少移動電源產(chǎn)品還被廠家設(shè)計得盡量美觀，讓它在使用中顯得不那么笨拙丑陋。
但由于標(biāo)準(zhǔn)缺失，網(wǎng)購和市面上銷售的移動電源產(chǎn)品魚龍混雜，充斥劣質(zhì)產(chǎn)品，因質(zhì)量問題所引發(fā)的事故屢見不鮮。針對移動電源產(chǎn)品市場混亂的局面，日前，國家標(biāo)準(zhǔn)委官網(wǎng)公布了《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》(GB31241-2014)國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對移動電源產(chǎn)品有了詳細(xì)的測試規(guī)定，包括工作參數(shù)、電路安全等30多項測試要求，以確保移動電源產(chǎn)品安全可靠。該標(biāo)準(zhǔn)已于八月一日正式執(zhí)行，這使得今后的移動電源產(chǎn)品市場將更加規(guī)范，在人們還“無力擺脫”移動電源產(chǎn)品的時候，起碼在用移動電源產(chǎn)品“給手機打吊瓶”的時候可以安全放心地使用。
手機廠商也看到了移動電源產(chǎn)品的巨大商機，小米、魅族、一加等國內(nèi)手機廠商也紛紛推出自家的移動電源產(chǎn)品，但無論移動電源如何安全可靠，有關(guān)消費者來說，都是一個負(fù)擔(dān)。
如今的手機已經(jīng)是軟硬件高度結(jié)合的智能終端，這也讓很多手機廠商開始從軟件角度去嘗試優(yōu)化手機續(xù)航。記者了解到，目前大多數(shù)安卓系統(tǒng)手機都內(nèi)置了省電模式，而今年即將公布的蘋果手機ios9系統(tǒng)，在測試版中也曝光了“低電量模式”。當(dāng)用戶開啟手機的省電模式后，耗電量會大幅下降，但手機的部分功能也會受限。智能手機的省電模式大都是以降低屏幕亮度、關(guān)閉WIFI及蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、降低處理器主頻等方式來實現(xiàn)耗電量下降，有些機型甚至供應(yīng)了簡化主屏甚至是屏幕黑白顯示等“極端”方式來延長手機電池的續(xù)航。
錢晟告訴記者，使用省電模式的方式可以讓用戶在手機低電量的情況下勉強維持，但其本質(zhì)無非是讓智能手機在低電量的時候變回一臺功能機，并不是從根本上解決智能手機電池的續(xù)航問題。除此之外，也有不少公司開發(fā)出“電池醫(yī)生”、“省電王”等手機應(yīng)用，通過管理后臺應(yīng)用等方式來減少手機耗電量，但這在用戶重度使用下顯得杯水車薪。
在“充電寶”和軟件優(yōu)化都沒能很好解決手機續(xù)航難題的局面下，研發(fā)人員開始嘗試新的途徑解決問題，他們將突破口放在手機充電時間上。用戶有關(guān)手機電池的抱怨，一方面是因為電量不夠用，另一方面則是因為充電時間過長。以今年智能手機入門級的2000mAh電池配置為例，要充滿這樣一款手機一般要用時3小時左右，假如能夠?qū)⒊潆姇r間大幅度縮減，將極大地提升用戶的使用體驗，手機快充技術(shù)應(yīng)運而生。
目前，高通、三星等知名移動技術(shù)廠商都擁有了自家研發(fā)的快充技術(shù)，并且，由于高通和三星在移動芯片市場中份額巨大，快充技術(shù)在今年已經(jīng)成為市場主流手機的標(biāo)配，國內(nèi)的手機廠商OPPO則推出了自己研發(fā)的VOOC快充技術(shù)。“快充技術(shù)簡單來說，是通過不同的電壓和電流組合，實現(xiàn)在電池低電量時高壓、大電流快充，再在接近充滿的時候減慢充電速率”，李興華向記者解釋到。但快充技術(shù)要手機的芯片、主板、電池、充電器等多個元件的配合，這讓用戶在標(biāo)配充電器不在身邊時很可能無法進行快充。另一方面，快充技術(shù)有關(guān)鋰離子電池壽命是否存在影響，在業(yè)界尚無定論。
為了使手機電池續(xù)航表現(xiàn)有所改觀，人們似乎想盡了各種辦法，但仍然是無奈之下的選擇，若想真正解決手機電池續(xù)航能力弱的難題，還應(yīng)該更多地從電池技術(shù)本身尋找突破。
未來會好嗎？
有人曾說過，假如你覺得自己足夠聰明，并且是個幸運兒，那你應(yīng)該從事電池技術(shù)的研究，只要新的充電電池專利握在你的手里，那你將成為這個世界上的優(yōu)秀富豪，更重要的是，你將成為這個時代的科技英雄。而新能源初創(chuàng)公司A123高管AndyChu則說，能源儲存是大玩家才進入的游戲，因為在電池上，太多事情可以發(fā)生錯誤。電池技術(shù)作為應(yīng)用電氣化學(xué)領(lǐng)域的一個分支，其進步過程中可謂舉步維艱，但每前進一步，都會給這個世界帶來巨大的驚喜和變化。
智能手機的電池技術(shù)看上去沒有像手機本身那樣發(fā)展迅猛，但實際上，人們有關(guān)電池技術(shù)的研究卻并非停滯不前。不論是斯坦福大學(xué)主導(dǎo)的鋰陽極電池，加州大學(xué)河濱分校研究的硅電池，還是諾基亞與倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院合作的通過吸收環(huán)境噪音發(fā)電的“納米發(fā)電機”，都在不斷探索電池技術(shù)的未來。以色列特拉維夫大學(xué)在研究治療老年癡呆癥的藥物時還意外地發(fā)現(xiàn)了一種具有極高電容性的肽分子，理論上，假如可以用這種材料制造手機電池，能讓手機的充電速度大大提升，這些研究人員還成立了專門的公司，希望研發(fā)出一種能在一分鐘就充滿的手機電池。不過，這些聽上去不錯的技術(shù)，目前還僅能在實驗室等高端環(huán)境下工作。
有關(guān)電池技術(shù)進步的消息每年甚至每個月都會被媒體曝出，但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化則要一個漫長的過程。新型電池技術(shù)要長時間實驗來解決批量中的各種問題，只有實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定、易于封裝使用等基本條件，新型電池技術(shù)才具備商用的潛質(zhì)，而目前，這些新型電池技術(shù)距離大規(guī)模制造和商用還有很長的一段路。另外，蘋果、谷歌、戴森等電子消費品巨頭也在積極與電池廠商合作，希望能夠在技術(shù)上獲得突破，但短時間內(nèi)還很難有巨大進展。
未來的“超級電池”要走出實驗室來到消費者的身邊并不是一朝一夕的事情，鋰離子電池的歷史使命很可能在未來相當(dāng)長的一段時間還要繼續(xù)下去。
面對電池工業(yè)這樣的發(fā)展瓶頸，就像面對一口不出水的枯井，我們可以重新選址去打一口新井，但未必就能如愿以償，也可以嘗試將眼前這口井再打深一些，從現(xiàn)有技術(shù)中去挖掘更大的潛能，那鋰離子電池技術(shù)是否還有進步的空間？
從上世紀(jì)70年代第一塊鋰離子電池制成，到20年之后索尼將鋰離子電池技術(shù)正式投入商用，再到如今的日趨成熟，鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)度過了近50年的時間。但不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，從降低生產(chǎn)成本、提高能量密度的方面來看，鋰離子電池仍有非常大的改進空間。
汽車業(yè)新寵特斯拉的電動汽車所采用的是自家生產(chǎn)的鋰離子電池，有人曾拆解特斯拉的電池組，發(fā)現(xiàn)是由一個個像五號電池相同的電芯所組成的。為了供應(yīng)自家電動汽車，特斯拉投資50億美元在美國內(nèi)華達州建造了一座超級電池廠。依靠與松下公司的合作，特斯拉在電池生產(chǎn)工藝上進行革新，自2008年至今，特斯拉的電池組成本減少了近一半，比普通的鋰離子電池制造廠的生產(chǎn)成本要低30%左右，而儲能效率驚人的提升了近60%。由此可見，其他鋰離子電池廠商的改進空間還有很大。
而鋰離子電池的能量密度近10年來也一直在震蕩中上升。2005年，采用聚合物電解質(zhì)的鋰離子電池開始逐步取代之前的液態(tài)鋰離子電池，聚合物鋰離子電池在電化學(xué)特性上更加優(yōu)秀，并且在塑型上更加靈活，可以使電池的體積利用率更高，鋰離子電池迎來能量密度上的一次大提升。但到了2008年前后，鋰離子電池能量密度的提升速度開始減緩，隨著電池安全問題引起大家的重視，電池生產(chǎn)商開始不斷提高電池的安全性指標(biāo)，將鋰離子電池的外殼不斷加厚，這使得在隨后三四年間，手機電池的能量密度一直保持平穩(wěn)。到2013年以后，電池生產(chǎn)商通過不斷改善工藝，提高了電池材料的壓實密度，鋰離子電池的能量密度又有一次提升。
目前，主流手機電池能量密度已經(jīng)達到了600Wh/L（瓦時每升）左右，聯(lián)手比亞迪進軍智能手機市場的藍魔數(shù)碼，更是被傳出將會在自家手機上采用800Wh/L超高能量密度的電池。近年來，我國在石墨烯鋰離子電池、硅基陽極鋰離子電池等技術(shù)領(lǐng)域都取得了不錯的成果，多家國內(nèi)手機生產(chǎn)商都已在測試能量密度更高的新一代電池。
鋰離子電池技術(shù)的未來發(fā)展將面對正反兩方面因素的影響，一方面是智能手機、電動汽車等新興行業(yè)的需求不斷擴大，鋰離子電池的市場份額不斷上升，公司不斷加大研發(fā)力度，這將大大促進鋰離子電池技術(shù)發(fā)展；而另一方面，隨著人們對新能源的渴求越來越迫切，未來是否會出現(xiàn)一種更高效的產(chǎn)品來替代鋰離子電池。從目前來看，前一因素的影響必然會發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計，目前鋰離子電池的全球市場總價值已經(jīng)超過120億美元，到2020年預(yù)計將達到540億美元。而后一因素至今仍是一個未知數(shù)，假如有一天鋰離子電池將被新型電池所取代，但在此之前，鋰離子電池究竟還有多少潛力可以被挖掘，我們不得而知，卻也不能輕言放棄。
錢晟告訴記者，新電池技術(shù)的研發(fā)和鋰離子電池技術(shù)的革新有關(guān)手機的電量續(xù)航而言都屬于“開源”，而降低手機其他元器件的功耗則是“節(jié)流”。在屏幕和soc芯片等手機核心元器件的研發(fā)中，降低功耗都已經(jīng)成為一個研發(fā)重點，隨著元器件功耗的降低和電池技術(shù)的不斷提高，智能手機的續(xù)航能力將會有所改觀。
