鉅大LARGE | 點擊量：1791次 | 2021年04月21日
電池是瓶頸？詳解智能手機電池發展趨勢
其實智能手機發展進入瓶頸這是一個老生常談的話題。但假如我們仔細想想，什么樣的論據支持我們這一基本上算是達成了的論點呢?我們一時又很難說明。在這篇文章前面，筆者通過一個實驗來看看究竟這幾年來智能手機電池發展速度如何?其實實驗的原理十分簡單。通過比較2005年至今的手機電池比容量(比容量又稱克容量，指每克電池含有的電量)，就能夠簡單直觀的看出05年至今手機電池的發展速度了。
在做這個實驗之前，我們先來給大家簡單介紹一些日常手機電池我們遇到的一些名詞，有助于我們更準確的了解智能手機、充電寶等數碼產品電池。
mAh：mAh毫安時可以說是我們在智能手機電池中最常見的參數。智能手機廠家也在公布會上說我們采用了3000mAh超大容量電池云云。其實mAh并不是一個能量單位，也就是說一塊電池能有多大電量用mAh來表達并不準確。mAh是代表電池中釋放為外部電子使用的電子總數，和物理上的庫倫是等價的。1mAh等于3.6庫倫電子。手機多采用mAh作為電池計量單位原因在于計量方便。例如3000mAh電池就能夠維持300mA持續電流下，手機工作10小時。但請記住，mAh不是電池的能量單位。
工作電壓：手機電池上，我們經常見的除了mAh以外，還有工作電壓一說。我們常見的說法是這塊電池是3.7V1000mAh電池，或者3.8V3000mAh電池等。這個電壓其實是一個平均值。大致意思是電池工作電壓的平均值，或者可以理解為電池正常工作時間最長的電壓。通常我們可以看到手機電池有一個充電電壓和一個工作電壓。理論上這兩個值越大越好。原因在于智能手機運轉時，是要電池維持在3.6V以上。當電池電壓講到3.6V以下時，手機大部分功能就不能使用了，進入關機狀態。僅有一小部分功能能在關機下利用3.6V以下電壓進行工作。假如電池工作電壓越大，也就意味著電池能工作的時間越長。而充電電壓則是電池充滿后不能超過的電壓。假如超過這一電壓，有可能發生危險。
Wh：Wh是電池的一個最準確的能量單位，其實很多大型電池都采用了Wh代表電池容量。其實就連筆記本電池也更多的采用了這一容量單位。Wh是毫安時和工作電壓乘積而來。例如一塊1000mAh電池工作電壓為3.7V，則這款電池容量為3.7Wh。而我們前面所說的比容量(或者成為克容量、能量密度)則是電池每一克含有的Wh數。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
簡單介紹了mAh、工作電壓、充電電壓、Wh之間的關系，也了解了Wh是最能體現一款手機電池容量的核心參數，接下來我們通過對2005年到2014年手機電池的測試來看看這9年間電池發展是否為一個瓶頸。
通過測試，我們得到了這樣的一張大概為波浪的圖片。并不像我們之前想象的始終小幅上升，反而是有時急速上升，有時反倒下降的表格。其實這里面原因有很多，首先筆者樣本量不足肯定是導致這一現象發生的最重要原因。但這幅圖中也蘊含著這10年來智能手機發展的幾個階段。我們這一部分先簡單向大家解讀一下。
首先05年到07年，手機電池能量密度有了一個巨大的飛躍，增幅大概為40%，重要原因是這期間智能手機電池從普通液態鋰離子電池轉變為鋰離子聚合物電池。經歷了07、08、09、10年的小幅上漲后，智能手機電池容量在11、12年兩年不增反降這其中有兩個原因：1.在手機電池做大之后，廠商更加關注手機電池的安全性，在硬殼防護上做了很大改進，導致手機電池重量上升。2.隨著互聯網品牌等更多品牌的加入，智能手機電池質量開始出現參差不齊的現象。最后我們看到13、14年，智能手機電池比容量達到目前的頂峰。原因也是兩方面的：1.越來越多的廠商開始做內置電池，在保證安全的情況下省去了硬殼包裝。2.電池技術從12年到14年間有了很大進步，高端智能機電池工作電壓普遍從3.7V升至3.8V。
其實我們可以看到，從05年到14年十年間，智能手機電池基本上做到了100%的能量密度提升，平均每年7.2%的上升率，按說這一數字假如換算成GDP上升率，那可真算得上是10年騰飛之路了。但怎奈何CPU主頻上升率1500%，攝像頭像素上升率5000%，其實并不是電池發展遇到瓶頸，而是其他硬件產業發展是在太迅猛了。在大環境的映襯下，顯得智能手機電池發展速度太慢了。也難怪大家都吐槽電池不給力。舉個例子十年前兩個人每個月都掙100塊。十年后一個人掙200塊，一個人掙5000塊，顯然200塊那主兒是被吐槽的一方啊。那究竟智能手機電池還能不能迎來飛躍?怎么才能解決智能手機續航不給力的現狀呢?我們通過開源和節流兩方面來向大家簡單分析下。
智能手機電池如何開源?
智能手機電池資源跟所有短缺資源相同，都要開源節流。在我們介紹目前手機電池開源創新方面，我們先來看看時下智能手機電池的現狀。前面我們也說道了液態鋰離子電池和鋰離子聚合物電池，兩者之間有何差別呢?
提到智能手機電池故障，我們首先想到的往往是鼓包、爆炸等詞語。其實電池鼓包、爆炸等都是液態鋰離子電池的代名詞。手機發展到今天，絕大多數廠商已經開始使用鋰離子聚合物電池。鋰離子聚合物電池和液態鋰離子電池最大的不同就在于電解質形態不同。液態鋰離子電池采用液態物體作為電解質液，最具代表性的就是我們常說的18650電池，液態鋰離子電池尤其自身的優點：歷史悠久、價格低廉、安全系數不錯。這也是為神馬目前小到例如小米電源，大到例如特斯拉汽車都在使用18650電池作為能源。但由于保護電解質液通常要使用金屬外殼，假如密封不好的話會出現漏液，假如過沖(充電電壓過大)的話會出現電池鼓包或者爆炸的現象，時下越來越多的智能手機開始使用鋰離子聚合物電池。
鋰離子聚合物電池相關于液態鋰離子電池最大的差別在于其使用了固態或膠狀物體作為電解質。安全系數更高。在出現過沖的情況下，固態或膠狀物體會出現氣化的現象，更為嚴重的會出現燃燒，基本不會爆炸。而我們時下常見的手機爆炸新聞通常是由于鋰離子聚合物電池出現過沖自燃后引發手機內部芯片爆炸或手機自燃。并不是我們腦海中的手機電池爆炸。并且鋰離子聚合物電池相關于液態鋰離子電池也有明顯的優勢：工作電壓高、能量密度大、自然放電小、重復使用壽命長、沒有記憶效應、內阻小、形狀可定制、保護電路板設計簡單等。但同樣帶來的問題就是成本較高。
▲特斯拉使用的松下18650電池
了解了鋰離子聚合物電池和液態鋰離子電池后，我們來看看時下主流的電池構成是怎么樣的。時下主流的鋰離子電池基本上分為鈷酸鋰離子電池、錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池、三元電池等等。其中每一類電池各有優劣。其中鈷酸鋰離子電池能量密度最大，所以目前智能手機電池全部采用鈷酸鋰離子電池。其他鋰離子電池各有優劣，例如最新的特斯拉汽車就開始使用三元鋰離子電池替代了鈷酸鋰離子電池。
▲鈷酸鋰的微觀形態
鋰作為最活潑的金屬元素，活潑型僅次于氫，顯然是做電池的最佳選擇，但由于其過于活潑，本身不穩定且十分不安全，人們就想到了利用鈷酸、錳酸、磷酸鐵等和鋰結合作為電池正極，用石墨作為負極打造電池。前面我們說到鈷酸鋰離子電池能量密度最大，雖然有著相比于其他鋰離子電池不太安全、工作電壓不高等缺點，但關于智能手機這種小型、要單塊電池的設備來講還是最佳的選擇。前面我們說到了開源，如何對現有電池技術進行開源呢?
▲采用三維納米網格技術正極新增鈷酸鋰密度
方法一：提升鈷酸鋰密度。提升鈷酸鋰密度，放電電子增多，庫倫數/mAh增大是解決電池容量不足的一個方法。當然我們談論的是在一定體積下增大密度。隨著技術的革新，鈷酸鋰離子電池正極密度越來越大。而目前科學家正在考慮利用納米網狀層來進行鈷酸鋰離子電池正極的從新分配，從而更大限度的合理利用正極的安全空間。目前實驗表明，該項技術能夠使電池容量成倍新增。但要注意的是，目前該項技術僅僅是實驗當中，想想處理器剛剛跨進20nm，將納米技術應用在民用級手機電池正極，還得些年頭。并且我們了解鈷酸鋰是有其物理密度的，提升鈷酸鋰密度的方法最終是會到達盡頭的。并且在時下已經非常完善的技術上再提升密度，安全性和成本關于廠商來講還是不劃算的。
方法二：提升工作電壓。工作電壓是由正極材質、電解質材質等等綜合控制的。前面我們說過Wh=mAh×工作電壓，假如工作電壓能夠提升，也能為電池新增容量。但由于目前手機電池電解質耐壓4.5V，所以充電電壓不能高過4.5V，故工作電壓也很難提升。其實這幾年廠家在工作電壓上已經下了很大功夫，從10年前的4.2V/3.7V，已經提升到了現在的4.35V/3.8V，千萬別小看這0.1V的提升，代表著廠家在正極、電解質、過沖保護方面做到了極致。相信過不了多長時間，就會出現3.85V工作電壓的手機電池，但這也是現有情況下手機電池工作電壓的極限了。假如真的想筆者所說的工作電壓從3.8V提升到3.85V，那么電池容量增幅也僅僅能達到1.5%，還是杯水車薪的一件事情。
方法三：異性電池。提升空間利用率是目前廠家很好實現的一個方法。目前智能手機采用很多都采用了弧形設計，內部電池卻仍舊采用較為方正的矩形設計，不能很好的利用背部弧形的空間。而梯形電池、柔性電池、線纜電池等電池的加入使得智能手機空間能夠更加合理的利用。在這方面上LGChem走在前列。之前LGG2就采用了梯形電池大幅提升了電池容量。而剛剛公布的LGG3搭載了2940mAh的常規形狀電池，假如能搭載梯形電池有可能電池容量達到3450mAh，這一提升還是非常可觀的。但增大體積來解決電池容量問題終歸是一個笨辦法。LGG2售價2699元。
▲Li-Air電池技術
方法四：采用全新材質電池。想要智能手機電池容量提升速度跟攝像頭像素提升速度那么快的辦法目前來看只有采用新材質電池。目前呼聲較高的鋰硫電池、鋰氧電池雖然號稱在能量密度上相比目前的鈷酸鋰系電池能夠提升數十倍甚至上百倍，但由于成本、技術不成熟、安全性能低等原因目前仍舊停留在實驗室理論驗證和極少量試驗品的生產階段。離裝到我們手機中還極其遙遠，甚至比前面我們說到的采用納米網格新增正極密度還要遙遠。兒子輩能用上就算是科技突飛猛進了。
▲三星很早試水手機燃料動力電池
方法五：燃料動力電池。每當我們說到電池遇到瓶頸的時候，都會聽到燃料動力電池的聲音。的確鋰作為電池雖然已經十分強大了，但別忘了元素周期表中第一位的氫才是能量的王中王。筆者記得每一代iPhone公布前夕都有各種各樣的傳言稱iPhone將采用燃料動力電池。筆者只能說理想很豐滿，現實很骨感。目前燃料動力電池還不能做到小型商用化，還不能保證非專業用戶手中的燃料動力電池足夠安全。筆者腹黑的想法是燃料動力電池能量很大，假如進入消費級，幾塊手機電池就能組裝成一顆炸彈，那豈不是天下大亂。還有每天幻想著核能進入消費級市場的朋友，想想現在的地區安全局勢，還是不要做夢了。
以上就是智能手機開源的5種方法，我們也看到了不是目前還處于試驗階段的，就是成本過高的。最靠譜的一種方法異性電池的應用本質上仍然是增大手機體積。不能說手機電池近年來不會有迅猛發展，但本質上的改變很難，我們理想狀態下成倍的上升更是幾乎不可能。既然開源短時間內很難看到成效，那我們就來看看節流吧。目前有什么技術能夠降低手機耗電量呢?
智能手機現有節電技術
有人說錢不是攢出來的，筆者也特認同這個觀點，但在現實生活中，你不漲工資還不想省錢，想必你也是醉了。手機也相同，前面我們說了目前開源的方法不太靠譜，文章的這一環節我們就來簡單講講手機如何節電?
快速充電：其實快速充電嚴格意義上來講并不能算是節電技術的一種，但由于實際操作過程中確實能夠為我們帶來續航方面的便利。文章這里就簡單向大家介紹一下。其實時下很多快速充電技術，幾乎我們每隔一段時間都能看到新聞講到XX大學研究快速充電技術能夠在幾秒鐘對電池完成充電。但其實快速充電就伴隨著安全性的問題。理論上充電速度越快就越容易出現安全問題。我們在這里簡單向大家介紹兩個目前已經應用到手機上的快速充電技術。那些躺在實驗室中的技術就選擇性的掠過了。QuickCharge2.0技術是高通采用的全新快速充電技術，采用9V/1.2A充電標準，號稱能在1小時內為手機充電60%。目前小米4采用了這一標準，而高通也將大力推廣這一充電標準。小米4售價1999元。VOOC閃充技術是最先采用在OPPOFind7上的一個OPPO專利充電技術。充電速度達現有充電速度的4被，5分鐘充電時間能夠為手機供應2小時通話時間的電量。采用4.5V規格。要芯片和microUSB口同時支持才能使用。
▲MIUI6采用系統級節電方式
軟件節電：目前很多安卓手機都號稱自己采用了獨家的節電技術。其實安卓手機軟件節電基本上是通過系統級和應用級節電完成的。例如小米4采用了全新的內存管理和后臺運行程序機制，就屬于系統級節電。而例如華為從華為P7上開始搭載的屏幕省電，則是通過降低屏幕分辨率的方式來進行節電，屬于應用級的省電功能。
▲RAM屏幕工作原理
硬件節電：在硬件節電方面，目前作為手機耗電的兩大巨頭，處理器和屏幕都分別有著自己的方法。處理器廠家包括ARM和其他例如高通等廠家都通過優化架構、采用全新的制程等方式進行節電。而屏幕廠家則通過試用帶有RAM的屏幕來對手機畫面進行自動識別，來控制刷新率和背光來節電。
