[多圖]手機(jī)電池技術(shù)解析

“大屏幕、四核、超薄等”已經(jīng)成為了旗艦手機(jī)的標(biāo)配，這也對(duì)電池設(shè)計(jì)提出了很高的要求?，F(xiàn)在即便是手機(jī)“不吃不動(dòng)”呆半天，電量往往也要大大減少，如果亂折騰的話，電池能保證半天的時(shí)間已經(jīng)算是萬(wàn)幸。難怪有朋友說(shuō)現(xiàn)在的智能手機(jī)“干起活來(lái)像匹馬，耗起電來(lái)像老虎。”

三星下一代A15雙核處理器至今還只在Chrome Book上出現(xiàn)就是最好的例子——性能強(qiáng)但功耗問(wèn)題也是明顯的!那么我們就來(lái)了解一下為這些高性能手機(jī)服務(wù)的電池技術(shù)吧。

聚合物鋰電池，刀鋒手機(jī)必備

聚合物鋰離子電池與傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同。鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來(lái)代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，這點(diǎn)正好彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋰電池的缺憾。

相信不少朋友都見(jiàn)過(guò)傳統(tǒng)手機(jī)電池的容貌：除去包裝，就是全身“鎧甲”——由于采用液體電解質(zhì)，所以傳統(tǒng)的鋰電池必須使用“鐵罐”等金屬容器密封，所以超薄化設(shè)計(jì)及形狀設(shè)計(jì)上均受到限制。而鋰聚合物電池因?yàn)槠潆娊赓|(zhì)為膠狀，如同橡皮泥一樣具有一定的可塑性，可以根據(jù)手機(jī)內(nèi)部空間來(lái)進(jìn)行一定的變“形”，很容易將手機(jī)電池的厚度縮小到2~4mm，大約比名片的厚度稍厚一些而已，所以才有了現(xiàn)在薄如刀鋒一般的手機(jī)。

可任意變形的電池

雖然鋰聚合物電池具有形狀靈活的可塑性，但通常是以平板的形式出現(xiàn)，限制了設(shè)計(jì)者利用它們發(fā)揮的空間，同時(shí)此類(lèi)電池的容量也有限。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，LG的研究人員發(fā)明了一種可彎曲及旋轉(zhuǎn)的電纜式電池：這種電池可放進(jìn)耳機(jī)中為你的手機(jī)充電，或編進(jìn)首飾及紡織衣物中，為可穿戴的電子產(chǎn)品供電。

在制作電池時(shí)，研究人員首先使用了幾束鍍有鎳和錫(兩個(gè)活性電極材料)的細(xì)銅線，接著將銅線編進(jìn)金屬線中，再將金屬線纏繞在一根小圓桿周?chē)?，纏好后將圓桿抽走并拉伸線圈。就這樣制造出了一根強(qiáng)力彈簧，直徑約1毫米，成為電池的結(jié)構(gòu)支架和陽(yáng)極，再以鋁線將其包覆，之后電鍍鋰鈷氧化物構(gòu)成陰極，最后在極柱間加入電解液后添加外層保護(hù)層。這樣就得到了具有普通鋰電池一樣性能的可彎曲電池。

可彎曲電池的出現(xiàn)有望突破現(xiàn)有移動(dòng)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)瓶頸，不過(guò)該項(xiàng)技術(shù)近期內(nèi)仍無(wú)法走進(jìn)我們的生活，估計(jì)在2017年才有望開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)。

你變形，我超能!新型高性能鋰離子電池

想象一下，有這樣一部智能手機(jī)，充電只需5分鐘，續(xù)航可達(dá)10小時(shí)，很神奇吧?! 美國(guó)科學(xué)家不久前就研制出這一種具有革命性的電池。我們都知道，鋰離子電池的儲(chǔ)電量是由電池內(nèi)部的鋰離子數(shù)量決定的。在由石墨烯組成的傳統(tǒng)鋰離子電池中，每六個(gè)碳原子可容納一個(gè)鋰原子。為了增加儲(chǔ)電量，科學(xué)家采用了石墨烯與硅結(jié)合的方式：硅可以容納更多的鋰原子(每四個(gè)硅原子就能容納一個(gè)鋰原子，而每六個(gè)碳原子才能容納一個(gè)鋰原子)、可使能量密度更高，而石墨具有膨脹收縮性小、不容易變形、破裂的特性，這樣一來(lái)在保證電池穩(wěn)定性同時(shí)，也可最大程度上增加穿梭于電池中的鋰離子數(shù)量。

那么，如何才能讓充電速度更快呢?電池充電慢是因?yàn)殇囯x子從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極需要一定時(shí)間。長(zhǎng)期以來(lái)，鋰離子電池的充電效率一直受到石墨烯形態(tài)的制約：電池中的石墨烯片非常薄，厚度只有一個(gè)原子，而面積就顯得相當(dāng)龐大了。充電時(shí)，鋰離子必須繞過(guò)面前的石墨烯片才能就位，它要先向外移動(dòng)到石墨烯片的邊緣處，然后回到兩片石墨烯中間停留，這個(gè)過(guò)程耗時(shí)漫長(zhǎng)、頗費(fèi)周張，導(dǎo)致石墨烯片的邊緣經(jīng)常發(fā)生“交通阻塞”。有鑒于此，研究人員自然想到了疏導(dǎo)交通的方法----既然決定充電時(shí)間的是鋰離子在石墨烯層之間的移動(dòng)速度，那為何不給這些離子開(kāi)辟幾條捷徑呢?借助化學(xué)氧化技術(shù)，研究人員在石墨烯片上鉆出了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小孔，每一個(gè)小孔的直徑都在10到20納米之間。這樣一來(lái)，鋰離子就能更加自由地在電池中穿行，充電速度也隨之提高了。

經(jīng)過(guò)這樣改造的鋰離子電池，就如如鋰電中的“超人”----電量和充電速度都提高到了原來(lái)的10倍。這項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是可研制出體積更小、重量更輕的電池，讓手機(jī)和筆記本電池的個(gè)頭只有一張信用卡大小。

火熱的“芯”，燃料電池

無(wú)論鋰電池怎么改進(jìn)，仍無(wú)法擺脫充電的詛咒——電池容量越大，充電時(shí)間越長(zhǎng)。如果在電池原材料上沒(méi)有大的突破，鋰電池容量繼續(xù)提升則極其困難。新一代電池的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行，其實(shí)業(yè)界最看好的未來(lái)手機(jī)電池是一種在多年前就已有研究的燃料電池。

燃料電池，顧名思義即靠燃料驅(qū)動(dòng)的電池。早在1839年，英國(guó)人W.Grove就提出了氫和氧反應(yīng)可以發(fā)電的原理，這就是最早的氫-氧燃料電池。通常燃料所產(chǎn)生的能量是以能釋放的，而燃料電池不釋放熱能，它是將其分解成氫離子和電子而轉(zhuǎn)化成電能。經(jīng)過(guò)了近200年的發(fā)展，當(dāng)今研發(fā)的燃料電池幾乎都使用液體甲醇為燃料。在燃料電池內(nèi)部，液體甲醇在分解的過(guò)程中僅僅產(chǎn)生水、二氧化碳和熱能，并且會(huì)被電池的釋放孔釋放。真正將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的部件，實(shí)際上是燃料電池中的碳精和高分子電解質(zhì)膜。在燃料電池工作時(shí)，甲醇會(huì)因?yàn)殂K金的觸媒作用被分解為氫離子和點(diǎn)子，由于電解質(zhì)膜只能通過(guò)氫離子，所以電子會(huì)被質(zhì)膜攔截后經(jīng)過(guò)炭精被導(dǎo)向負(fù)極產(chǎn)生電流。與此同時(shí)，氫離子經(jīng)過(guò)質(zhì)膜后會(huì)被倒入到正極與空氣中的氧結(jié)合成水蒸汽，然后通過(guò)電池的釋放口排除電池外。和普通電池相比，燃料電池具有驚人的能量密度，而且更兼?zhèn)淞藷o(wú)污染、高效率等優(yōu)點(diǎn)。

在去年11月份美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局公布了蘋(píng)果新獲得的兩項(xiàng)專(zhuān)利，這兩項(xiàng)專(zhuān)利為便攜式計(jì)算設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)和便攜式計(jì)算設(shè)備燃料電池系統(tǒng)耦合。這兩項(xiàng)專(zhuān)利暗示蘋(píng)果可能正在研究使用燃料電池技術(shù)來(lái)解決其iPhone、iPad以及Macbook電腦等產(chǎn)品的續(xù)航問(wèn)題。值得注意的是，日本的Aquafairy已經(jīng)推出一種微型的燃料電池--- AF-M3000燃料電池。AF-M3000使用的燃料為乙醇，能在90分鐘內(nèi)用一個(gè)燃料電池匣將iPhone4充電至50%。不過(guò)，每個(gè)燃料電池匣的價(jià)格接近200元，充一次電成本真的不是一般人能接受的!相對(duì)于使用成本高昂的AF-M3000來(lái)說(shuō)，Lilliputian Systems公司為零售商Brookstone所開(kāi)發(fā)的USB移動(dòng)燃料電池?zé)o疑更靠譜點(diǎn)。這款燃料電池外形僅為普通打火機(jī)大小，通過(guò)添加丁烷燃料來(lái)供電，一塊電芯可以為iPhone 4充電次數(shù)約10～14次，而更換內(nèi)部電池大概就是星巴克一杯咖啡的錢(qián)!

寫(xiě)在最后

從鎳鎘電池到燃料電池，我們見(jiàn)證了充電電池在性能和壽命上的蛻變。面對(duì)新型電池技術(shù)的發(fā)展，我們的數(shù)字生活必將因?yàn)殡娫吹母a(chǎn)生翻天覆地的變化。也許過(guò)不了幾年，我們就不再需要為手機(jī)、筆記本續(xù)航能力擔(dān)心，充一次電用幾個(gè)月的手機(jī)也不再是天方夜譚。同時(shí)，沒(méi)有電池瓶頸的限制，手機(jī)的性能也會(huì)呈幾何速度增長(zhǎng)，帶來(lái)更多不可思議的應(yīng)用方式……

延伸閱讀

曾經(jīng)出現(xiàn)的太陽(yáng)能手機(jī)

為了給手機(jī)提供更長(zhǎng)的續(xù)航能力，廠商們絞盡腦汁，辦法也是花樣翻新，如有些手機(jī)廠商在手機(jī)外殼上設(shè)計(jì)了一塊薄膜太陽(yáng)能電池，如果手機(jī)電池耗盡，讓太陽(yáng)曬上 30分鐘，就能繼續(xù)通話。至于能用多久，官方的回答是一分鐘左右……或許這種做法真的是廠商不得已而為之，曬太陽(yáng)通話的法子遠(yuǎn)不如多帶一塊電池來(lái)得靠譜。但由此確實(shí)可以看出手持設(shè)備對(duì)于電池續(xù)航能力的渴求。