鉅大LARGE | 點擊量：665次 | 2022年02月21日
鋰離子電池技術發展不符"摩爾定律"
為趕在蘋果公司9月發布會之前推出新品，七八月份各個手機廠商開始密集發布新款手機。面對更快的處理器，更清晰的屏幕，更高像素的攝像頭，人們對于智能手機性能的需求已經得到充分的滿足，但仍有一項參數難以讓消費者滿意，便是手機電池的續航時間。
雖然各個手機廠商都在發布會上聲稱自己的產品使用了大容量電池，但手機一天一充的現象還是普遍存在，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。對于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低電量提醒，就算性能再優秀，一旦電量耗盡，手機也會立刻變得無用武之地。
近年來，智能手機的發展速度已經超過了摩爾定律，據估算，從2005年到2015年間，智能手機處理器主頻增長率1500%，攝像頭像素增長率達到5000%。面對手機性能的幾何級數增長，手機電池技術的發展卻顯得腳步緩慢，10年間，智能手機電池的能量密度雖然平均每年提升7.2%，電池容量也增加了一倍，但手機待機時間卻未有質的改變。手機電池續航能力弱已經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，不妨先了解一下提供續航電量的這塊電池。目前，絕大多數手機所采用的都是鋰離子電池，鋰電池技術早在20世紀70年代便問世，但直到1992年，日本索尼公司推出首批商業化鋰電池，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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鋰電池取代鎳氫電池，帶來了數碼產品電池續航能力上一次質的飛躍，這也讓人們在功能機時代很少對手機電池發出抱怨。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主要原因。“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下的安卓智能手機為例，通過查看電池耗電排行，會發現屏幕的耗電量基本要占到總量的50%以上，這就是為什么廠商標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。”手機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一樣只能選擇自帶的幾項功能，而是可以根據需求安裝不同的應用程序。這導致在實際使用中，由于部分程序一直在后臺調用GPS等功能，就會導致GPS模塊、通信模塊以及soc芯片持續工作，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航能力。手機廠商過于追求輕薄設計的趨勢下，經常可以看到一些旗艦機型的續航能力尚不及前作的表現。在功能機時代，15毫米的機身厚度屬于常態，但如今，有廠商開發了擁有6000mAh電池的智能手機，但機身厚度達到11.9毫米，則被大多數消費者認為機身過于臃腫。
手機元器件性能的不斷提升和機身的不斷變薄導致了鋰電池技術難以跟上腳步，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、發短信，人們很少會一直盯著手機。而如今，手機已經被人們時時握在手中，發微信、刷微博、打車、導航、購物、游戲、辦公等，人們的生活已經徹底與手機綁定在一起，每天使用手機的時間不斷增長，手機電量自然越來越難以滿足需求。“同樣擁有顯示屏，同樣需要計算，但人們對于數碼相機的鋰電池就少有抱怨，因為絕大多數用戶對于數碼相機的使用頻率是遠遠低于智能手機的，并且在人們日常使用智能手機時，導航、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。”科技評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成為各家旗艦機型的標配，在鋰離子電池商用的20多年間，經過持續的技術拓展，鋰離子電池在充電效率、電池容量、發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航能力的需求，并且鋰離子電池的發展已經步步維艱，每前進一步都異常艱難。現代電池領域的科學家、磷酸鋰鐵之父JohnGoodenough也感慨電池研發已進入瓶頸。鋰離子電池曾經是電子產品快速發展的推動者，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對。
曲線救“電”
提升手機電池的續航能力，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，可以增加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”設計的缺點也是顯而易見的，用戶不能再像過去一樣準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。
手機電池的續航“不給力”和不可拆卸，甚至催生出一種新的數碼消費品——移動電源，人們也習慣稱其為“充電寶”。如今，移動電源產品已經形成了一個巨大的消費市場，數據顯示，2014年國內移動電源市場規模為165億元，預計2015年將會增長到220億元，同比增長超過30%。記者在調查中發現，目前市面上主流的移動電源產品的電池容量從5000mAh到50000mAh不等，有的更是標注到80000mAh。而移動電源產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，不少移動電源產品還被廠家設計得盡量美觀，讓它在使用中顯得不那么笨拙丑陋。
但由于標準缺失，網購和市面上銷售的移動電源產品魚龍混雜，充斥劣質產品，因質量問題所引發的事故屢見不鮮。針對移動電源產品市場混亂的局面，日前，國家標準委官網發布了《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組安全要求》(GB31241-2014)國家標準。該標準對移動電源產品有了詳細的測試規定，包括工作參數、電路安全等30多項測試要求，以確保移動電源產品安全可靠。該標準已于8月1日正式實施，這使得今后的移動電源產品市場將更加規范，在人們還“無力擺脫”移動電源產品的時候，起碼在用移動電源產品“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品的巨大商機，小米、魅族、一加等國內手機廠商也紛紛推出自家的移動電源產品，但無論移動電源如何安全可靠，對于消費者來說，都是一個負擔。
如今的手機已經是軟硬件高度結合的智能終端，這也讓很多手機廠商開始從軟件角度去嘗試優化手機續航。記者了解到，目前大多數安卓系統手機都內置了省電模式，而今年即將發布的蘋果手機ios9系統，在測試版中也曝光了“低電量模式”。當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、關閉WIFI及蜂窩數據網絡、降低處理器主頻等方式來實現耗電量下降，有些機型甚至提供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航問題。除此之外，也有不少公司開發出“電池醫生”、“省電王”等手機應用，通過管理后臺應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”和軟件優化都沒能很好解決手機續航難題的局面下，研發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。用戶對于手機電池的抱怨，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需要用時3小時左右，如果能夠將充電時間大幅度縮減，將極大地提升用戶的使用體驗，手機快充技術應運而生。
目前，高通、三星等知名移動技術廠商都擁有了自家研發的快充技術，并且，由于高通和三星在移動芯片市場中份額巨大，快充技術在今年已經成為市場主流手機的標配，國內的手機廠商OPPO則推出了自己研發的VOOC快充技術。“快充技術簡單來說，是通過不同的電壓和電流組合，實現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。但快充技術需要手機的芯片、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，快充技術對于鋰離子電池壽命是否存在影響，在業界尚無定論。
為了使手機電池續航表現有所改觀，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航能力弱的難題，還應該更多地從電池技術本身尋找突破。
未來會好嗎？
有人曾說過，如果你覺得自己足夠聰明，并且是個幸運兒，那你應該從事電池技術的研究，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，太多事情可以發生錯誤。電池技術作為應用電氣化學領域的一個分支，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看上去沒有像手機本身那樣發展迅猛，但實際上，人們對于電池技術的研究卻并非停滯不前。不論是斯坦福大學主導的鋰陽極電池，加州大學河濱分校研究的硅電池，還是諾基亞與倫敦大學瑪麗皇后學院合作的通過吸收環境噪音發電的“納米發電機”，都在不斷探索電池技術的未來。以色列特拉維夫大學在研究治療老年癡呆癥的藥物時還意外地發現了一種具有極高電容性的肽分子，理論上，如果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，目前還僅能在實驗室等高端環境下工作。
關于電池技術進步的消息每年甚至每個月都會被媒體曝出，但要實現產業化則需要一個漫長的過程。新型電池技術需要長時間實驗來解決批量中的各種問題，只有實現了高效、穩定、易于封裝使用等基本條件，新型電池技術才具備商用的潛質，而目前，這些新型電池技術距離大規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，希望能夠在技術上獲得突破，但短期內還很難有巨大進展。
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長的一段時間還要繼續下去。
面對電池工業這樣的發展瓶頸，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，從現有技術中去挖掘更大的潛能，那鋰離子電池技術是否還有進步的空間？
從上世紀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正式投入商用，再到如今的日趨成熟，鋰離子電池技術的發展已經度過了近50年的時間。但不少業內人士認為，從降低生產成本、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。
汽車業新寵特斯拉的電動汽車所采用的是自家生產的鋰離子電池，有人曾拆解特斯拉的電池組，發現是由一個個像五號電池一樣的電芯所組成的。為了供應自家電動汽車，特斯拉投資50億美元在美國內華達州建造了一座超級電池工廠。依靠與松下公司的合作，特斯拉在電池生產工藝上進行革新，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，采用聚合物電解質的鋰離子電池開始逐步取代之前的液態鋰離子電池，聚合物鋰離子電池在電化學特性上更加優秀，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，電池生產商開始不斷提高電池的安全性指標，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。到2013年以后，電池生產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達到了600Wh/L（瓦時每升）左右，聯手比亞迪進軍智能手機市場的藍魔數碼，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，我國在石墨烯鋰電池、硅基陽極鋰電池等技術領域都取得了不錯的成果，多家國內手機生產商都已在測試能量密度更高的新一代電池。
鋰離子電池技術的未來發展將面臨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的需求不斷擴大，鋰離子電池的市場份額不斷增長，企業不斷加大研發力度，這將大大促進鋰離子電池技術發展；而另一方面，隨著人們對新能源的渴求越來越迫切，未來是否會出現一種更高效的產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生，據統計，目前鋰離子電池的全球市場總價值已經超過120億美元，到2020年預計將達到540億美元。而后一因素至今仍是一個未知數，如果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，新電池技術的研發和鋰離子電池技術的革新對于手機的電量續航而言都屬于“開源”，而降低手機其他元器件的功耗則是“節流”。在屏幕和soc芯片等手機核心元器件的研發中，降低功耗都已經成為一個研發重點，隨著元器件功耗的降低和電池技術的不斷提高，智能手機的續航能力將會有所改觀。
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