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电池是瓶颈?详解智能手机电池的昨天今天和明天

2014-08-26 14:05
雷本祖
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  提到智能手机电池故障,我们首先想到的往往是鼓包、爆炸等词语。其实电池鼓包、爆炸等都是液态锂离子电池的代名词。手机发展到今天,绝大多数厂商已经开 始使用锂离子聚合物电池。锂离子聚合物电池和液态锂离子电池最大的不同就在于电解质形态不同。液态锂离子电池采用液态物体作为电解质液,最具代表性的就是 我们常说的18650电池,液态锂离子电池尤其自身的优点:历史悠久、价格低廉、安全系数不错。这也是为神马目前小到例如小米电源,大到例如特斯拉汽车都 在使用18650电池作为能源。但由于保护电解质液通常需要使用金属外壳,如果密封不好的话会出现漏液,如果过冲(充电电压过大)的话会出现电池鼓包或者爆炸的现象,时下越来越多的智能手机开始使用锂离子聚合物电池。

  

  锂离子聚合物电池相对于液态锂离子电池最大的区别在于其使用了固态或胶状物体作为电解质。安全系数更高。在出现过冲的情况下,固态或胶状物体会出现气化的现象,更为严重的会出现燃烧,基本不会爆炸。而我们时下常见的手机爆炸新闻通常是由于锂离子聚合物电池出现过冲自燃后引发手机内部芯片爆炸或手机自燃。并不是我们脑海中的手机电池爆炸。并且锂离子聚合物电池相对于液态锂离子电池也有明显的优势:工作电压高、能量密度大、自然放电小、重复使用寿命长、没有记忆效应、内阻小、形状可定制、保护电路板设计简单等。但同样带来的问题就是成本较高。

  

  特斯拉使用的松下18650电池

  了解了锂离子聚合物电池和液态锂离子电池后,我们来看看时下主流的电池构成是怎么样的。时下主流的锂电池基本上分为钴酸锂离子电池、锰酸锂离子电池、磷 酸铁锂离子电池、三元电池等等。其中每一类电池各有优劣。其中钴酸锂离子电池能量密度最大,所以目前智能手机电池全部采用钴酸锂离子电池。其他锂离子电池 各有优劣,例如最新的特斯拉汽车就开始使用三元锂离子电池替代了钴酸锂离子电池。

  

  钴酸锂的微观形态

  锂作为最活泼的金属元素,活泼型仅次于氢,显然是做电池的最佳选择,但由于其过于活泼,本身不稳定且十分不安全,人们就想到了利用钴酸、锰酸、磷酸铁等 和锂结合作为电池正极,用石墨作为负极打造电池。前面我们说到钴酸锂离子电池能量密度最大,虽然有着相比于其他锂离子电池不太安全、工作电压不高等缺点, 但对于智能手机这种小型、需要单块电池的设备来讲还是最佳的选择。前面我们说到了开源,如何对现有电池技术进行开源呢?

  采用三维纳米网格技术正极增加钴酸锂密度

  方法一:提升钴酸锂密度。提升钴酸锂密度,放电电子增多,库伦数/mAh增大是解决电池容量不足的一个方法。当然我们谈论的是在一定体积下增大密度。随着技术的革新,钴酸锂离子电池正极密度越来越大。而目前科学家正在考虑利用纳米网状层来进行钴酸锂离子电池正极的从新分配,从而更大限度的合理利用正极的安全空间。目 前实验表明,该项技术能够使电池容量成倍增加。但需要注意的是,目前该项技术仅仅是实验当中,想想处理器刚刚跨进20nm,将纳米技术应用在民用级手机电 池正极,还得些年头。并且我们知道钴酸锂是有其物理密度的,提升钴酸锂密度的方法最终是会到达尽头的。并且在时下已经非常完善的技术上再提升密度,安全性 和成本对于厂商来讲还是不划算的。

  方法二:提升工作电压。工作电压是由正极材质、电解质材质等等综 合控制的。前面我们说过Wh=mAh×工作电压,如果工作电压能够提升,也能为电池增加容量。但由于目前手机电池电解质耐压4.5V,所以充电电压不能高 过4.5V,故工作电压也很难提升。其实这几年厂家在工作电压上已经下了很大功夫,从10年前的4.2V/3.7V,已经提升到了现在的4.35V /3.8V,千万别小看这0.1V的提升,代表着厂家在正极、电解质、过冲保护方面做到了极致。相信过不了多久,就会出现3.85V工作电压的手机电池, 但这也是现有情况下手机电池工作电压的极限了。如果真的想笔者所说的工作电压从3.8V提升到3.85V,那么电池容量增幅也仅仅能达到1.5%,还是杯水车薪的一件事情。

  

  方法三:异性电池。提升空间利用率是目前厂家很好实现的一个方法。目前智能手机采用很多都采用了弧形设计,内部电池却仍旧采用较为方正的矩形设计,不能很好的利用背部弧形的空间。而梯形电池、柔性电池、线缆电池等电池的加入使得智能手机空间能够更加合理的利用。在这方面上LG Chem走在前列。之前LG G2就采用了梯形电池大幅提升了电池容量。而刚刚发布的LG G3搭载了2940mAh的常规形状电池,如果能搭载梯形电池有可能电池容量达到3450mAh,这一提升还是非常可观的。但增大体积来解决电池容量问题终归是一个笨办法。

  

  Li-Air电池技术

  方法四:采用全新材质电池。想要智能手机电池容量提升速度跟摄像头像素提升速度那么快的办法目前来看只有采用新材质电池。目前呼声较高的锂硫电池、锂氧电池虽然号称在能量密度上相比目前的钴酸锂系电池能够提升数十倍甚至上百倍,但由于成本、技术不成熟、安全性能低等原因目前仍旧停留在实验室理论验证和极少量试验品的生产阶段。离装到我们手机中还极其遥远,甚至比前面我们说到的采用纳米网格增加正极密度还要遥远。儿子辈能用上就算是科技突飞猛进了。

  

  三星很早试水手机燃料电池

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