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电池是瓶颈?详解智能手机电池发展趋势

52RD.com 2014年8月26日 IT168            评论:6条 查看 我来说两句
  

      其实笔者写文章的时候,最喜欢的一句开头语就是:在智能手机飞速发展的今天此处省略一万字。不可否认,智能手机硬件软件发展速度真的是呈几何级数曲 线增长的。但即使是飞速发展,我们对智能手机还是有着这样或者那样的不满意,到底是什么制约了智能手机,什么又是智能手机木桶效应的那个短板呢?今天我们 就来探讨下关于智能手机一个老生常谈的问题——电池。有人说智能手机电池已经到达瓶颈,很难有大的突破了,是这样么?要想要智能手机电池续航有所突破需要在电池工业上有哪些改进,又需要在软件算法上有何优化呢?时下什么智能手机采用了高端节电技术呢?这将是本文和大家一同探讨的问题。

  其实智能手机发展进入瓶颈这是一个老生常谈的话题。但如果我们仔细想想,什么样的论据支持我们这一基本上算是达成了的论点呢?我们一时又很难说明。在这篇文章前面,笔者通过一个实验来看看究竟这几年来智能手机电池发展速度如何?其实实验的原理十分简单。通过比较2005年至今的手机电池比容量(比容量又称克容量,指每克电池含有的电量),就能够简单直观的看出05年至今手机电池的发展速度了。

  在做这个实验之前,我们先来给大家简单介绍一些日常手机电池我们遇到的一些名词,有助于我们更准确的了解智能手机、充电宝等数码产品电池。

电池是瓶颈?详解智能手机电池发展趋势

  mAh:mAh毫安时可以说是我们在智能手机电池中最常见的参数。智能手机厂家也在发布会上说我们采用了3000mAh超大容量电池云云。其实mAh并不是一个能量单位,也就是说一块电池能有多大电量用mAh来表达并不准确。mAh 是代表电池中释放为外部电子使用的电子总数,和物理上的库伦是等价的。1mAh等于3.6库伦电子。手机多采用mAh作为电池计量单位原因在于计量方便。 例如3000mAh电池就能够维持300mA持续电流下,手机工作10小时。但请记住,mAh不是电池的能量单位。

电池是瓶颈?详解智能手机电池发展趋势

  工作电压:手机电池上,我们经常见的除了mAh以外,还有工作电压一说。我们常见的说法是这块电池是3.7V 1000mAh电池,或者3.8V 3000mAh电池等。这个电压其实是一个平均值。大致意思是电池工作电压的平均值,或者可以理解为电池正常工作时间最长的电压。通 常我们可以看到手机电池有一个充电电压和一个工作电压。理论上这两个值越大越好。原因在于智能手机运转时,是需要电池维持在3.6V以上。当电池电压讲到 3.6V以下时,手机大部分功能就不能使用了,进入关机状态。仅有一小部分功能能在关机下利用3.6V以下电压进行工作。如果电池工作电压越大,也就意味 着电池能工作的时间越长。而充电电压则是电池充满后不能超过的电压。如果超过这一电压,有可能发生危险。

电池是瓶颈?详解智能手机电池发展趋势

  Wh:Wh是电池的一个最准确的能量单位, 其实很多大型电池都采用了Wh代表电池容量。其实就连笔记本电池也更多的采用了这一容量单位。Wh是毫安时和工作电压乘积而来。例如一块1000mAh电 池工作电压为3.7V,则这款电池容量为3.7Wh。而我们前面所说的比容量(或者成为克容量、能量密度)则是电池每一克含有的Wh数。

  简单介绍了mAh、工作电压、充电电压、Wh之间的关系,也知道了Wh是最能体现一款手机电池容量的核心参数,接下来我们通过对2005年到2014年手机电池的测试来看看这9年间电池发展是否为一个瓶颈。

电池是瓶颈?详解智能手机电池发展趋势

  通过测试,我们得到了这样的一张大概为波浪的图片。并不像我们之前想象的始终小幅上升,反而是有时急速上升,有时反倒下降的表格。其实这里面原因有很多,首先笔者样本量不足肯定是导致这一现象发生的最主要原因。但这幅图中也蕴含着这10年来智能手机发展的几个阶段。我们这一部分先简单向大家解读一下。

  首先05年到07年,手机电池能量密度有了一个巨大的飞跃,增幅大概为40%,主要原因是这期间智能手机电池从普通液态锂电池转变为锂离子聚合物电池。经历了07、08、09、10年的小幅上涨后,智能手机电池容量在11、12年两年不增反降这其中有两个原因:1.在手机电池做大之后,厂商更加关注手机电池的安全性,在硬壳防护上做了很大改进,导致手机电池重量上升。2.随着互联网品牌等更多品牌的加入,智能手机电池质量开始出现参差不齐的现象。最后我们看到13、14年,智能手机电池比容量达到目前的顶峰。原因也是两方面的:1.越来越多的厂商开始做内置电池,在保证安全的情况下省去了硬壳包装。2.电池技术从12年到14年间有了很大进步,高端智能机电池工作电压普遍从3.7V升至3.8V。

  其实我们可以看到,从05年到14年十年间,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,按说这一数字如果换算成GDP增长率,那可真算得上是10年腾飞之路了。但怎奈何CPU主频增长率1500%,摄像头像素增长率5000%,其实并不是电池发展遇到瓶颈,而是其他硬件产业发展是在太迅猛了。在大环境的映衬下,显得智能手机电池发展速度太慢了。也难怪大家都吐槽电池不给力。举个例子十年前两个人每个月都挣100块。十年后一个人挣200块,一个人挣5000块,显然200块那主儿是被吐槽的一方啊。那究竟智能手机电池还能不能迎来飞跃?怎么才能解决智能手机续航不给力的现状呢?我们通过开源和节流两方面来向大家简单分析下。

  智能手机电池如何开源?

  智能手机电池资源跟所有短缺资源相同,都需要开源节流。在我们介绍目前手机电池“开源”创新方面,我们先来看看时下智能手机电池的现状。前面我们也说道了液态锂离子电池和锂离子聚合物电池,两者之间有何差别呢?

智能手机电池如何开源?

  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。

智能手机电池如何开源?

  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。

智能手机电池如何开源?
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。

智能手机电池如何开源?
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?

智能手机电池如何开源?
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。

智能手机电池如何开源?

  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。

智能手机电池如何开源?
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。

智能手机电池如何开源?
三星很早试水手机燃料电池

  方法五:燃料电池。每 当我们说到电池遇到瓶颈的时候,都会听到燃料电池的声音。的确锂作为电池虽然已经十分强大了,但别忘了元素周期表中第一位的氢才是能量的王中王。笔者记得 每一代iPhone发布前夕都有各种各样的传言称iPhone将采用燃料电池。笔者只能说理想很丰满,现实很骨感。目前燃料电池还不能做到小型商用化,还 不能保证非专业用户手中的燃料电池足够安全。笔者腹黑的想法是燃料电池能量很大,如果进入消费级,几块手机电池就能组装成一颗炸弹,那岂不是天下大乱。还有每天幻想着核能进入消费级市场的朋友,想想现在的地区安全局势,还是不要做梦了。

  以上就是智能手机开源的5种方法,我们也看到了不是目前还处于试验阶段的,就是成本过高的。最靠谱的一种方法——异性电池的应用本质上仍然是增大手机体积。不能说手机电池近年来不会有迅猛发展,但本质上的改变很难,我们理想状态下成倍的增长更是几乎不可能。既然开源短期内很难看到成效,那我们就来看看节流吧。目前有什么技术能够降低手机耗电量呢?

  智能手机现有节电技术

  有人说钱不是攒出来的,笔者也特认同这个观点,但在现实生活中,你不涨工资还不想省钱,想必你也是醉了。手机也一样,前面我们说了目前开源的方法不太靠谱,文章的这一环节我们就来简单讲讲手机如何节电?

智能手机现有节电技术

  快速充电:其 实快速充电严格意义上来讲并不能算是节电技术的一种,但由于实际操作过程中确实能够为我们带来续航方面的便利。文章这里就简单向大家介绍一下。其实时下很 多快速充电技术,几乎我们每隔一段时间都能看到新闻讲到XX大学研究快速充电技术能够在几秒钟对电池完成充电。但其实快速充电就伴随着安全性的问题。理论 上充电速度越快就越容易出现安全问题。我们在这里简单向大家介绍两个目前已经应用到手机上的快速充电技术。那些躺在实验室中的技术就选择性的掠过了。 QuickCharge 2.0技术是高通采用的全新快速充电技术,采用9V/1.2A充电标准,号称能在1小时内为手机充电60%。目前小米4采用了这一标准,而高通也将大力推 广这一充电标准。小米4售价1999元。【点击查看详情】。 VOOC闪充技术是最先采用在OPPO Find 7上的一个OPPO专利充电技术。充电速度达现有充电速度的4被,5分钟充电时间能够为手机提供2小时通话时间的电量。采用4.5V规格。需要芯片和 microUSB口同时支持才能使用。

智能手机现有节电技术
MIUI 6采用系统级节电方式

  软件节电:目 前很多安卓手机都号称自己采用了独家的节电技术。其实安卓手机软件节电基本上是通过系统级和应用级节电完成的。例如小米4采用了全新的内存管理和后台运行 程序机制,就属于系统级节电。而例如华为从华为P7上开始搭载的屏幕省电,则是通过降低屏幕分辨率的方式来进行节电,属于应用级的省电功能。

智能手机现有节电技术
RAM屏幕工作原理

  硬件节电:在硬件节电方面,目前作为手机耗电的两大“巨头”,处理器和屏幕都分别有着自己的方法。处理器厂家包括ARM和其他例如高通等厂家都通过优化架构、采用全新 的制程等方式进行节电。而屏幕厂家则通过试用带有RAM的屏幕来对手机画面进行自动识别,来控制刷新率和背光来节电。LG G3和努比亚Z7就是典型的带有RAM的2K分辨率屏幕节电手机。

  全文总结:其 实笔者通过这篇文章简单的解读了一下智能手机电池的昨天今天和明天。通过开源节流两方面介绍了目前智能手机电池的发展趋势。作为一个非专业人士,笔者深知 目前随着电动汽车等清洁能源交通工具的大热,无论是政策因素还是市场因素都给整个电池产业带到了一个很好的发展时期。本文最终目的是给消费者对于智能手机 电池的一个大体认识。而对于专业人士来讲,如果本文出现描述不准确的地方,望斧正。

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6楼 Tolang 发表于 2014-8-27 09:44 回复
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如果人手有核,恐怖分子买几块电池,是不是可以搞个小核弹出来?
5楼 52RD网友 221.123.*.* 发表于 2014-8-26 13:55 回复
4楼 52RD网友说:我提出一种假设,有一种空间曲率电池,正负极可以分别弯曲空间,使得电池能自动从空气中充电,这样电池永远不会没电,但这种电池的成本极高,需要在高能粒子对撞机中合成
三体电池.....
4楼 52RD网友 205.177.*.* 发表于 2014-8-26 12:15 回复
我提出一种假设,有一种空间曲率电池,正负极可以分别弯曲空间,使得电池能自动从空气中充电,这样电池永远不会没电,但这种电池的成本极高,需要在高能粒子对撞机中合成
3楼 52RD网友 211.144.*.* 发表于 2014-8-26 11:02 回复
人手一块核电池,走遍天下不断电
2楼 xuzhao45005 发表于 2014-8-26 10:59 回复
靠ROM去优化是没有明显效果的
1楼 Dragoncat0619 发表于 2014-8-26 10:16 回复
电池要想有突破性的进展,材质上不改变是没希望的了,再省又能省多少呢?
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