锂离子电池技术发展不符“摩尔定律”

　　为赶在苹果公司9月发布会之前推出新品，七八月份各个手机厂商开始密集发布新款手机。面对更快的解决器，更清晰的屏幕，更高像素的摄像头，人们对于智能手机性能的需求已经得到充足的满足，但仍有一项参数难以让消费者满意，便是手机电池的续航时间。

　　虽然各个手机厂商都在发布会上声称自己的产品使用了大容量电池，但手机一天一充的现象还是普遍存在，在用户频繁使用的情况下，手机电池甚至坚持不了一个白天的时间。对于时时刻刻离不开手机的“低头族”来说，最恐慌的事情莫过于手机出现低电量提醒，就算性能再优秀，一旦电量耗尽，手机也会立刻变得无用武之地。

　　近年来，智能手机的发展速度已经超过了摩尔定律，据估算，从2005年到2015年间，智能手机解决器主频增长率1500%，摄像头像素增长率达到5000%。面对手机性能的几何级数增长，手机电池技术的发展却显得脚步缓慢，10年间，智能手机电池的能量密度虽然均匀每年提升7.2%，电池容量也增加了一倍，但手机待机时间却未有质的改变。手机电池续航能力弱已经成为用户使用智能手机的最大痛点，也成为制约智能手机发展的最短板。

　　手机电量为甚么总不够？

　　用户总是抱怨手机电量不够用，不妨先知道一下提供续航电量的这块电池。目前，绝大多数手机所采用的都是锂电池，锂离子电池技术早在20世纪70年代便问世，但直到1992年，日本索尼公司推出首批商业化锂离子电池，它才正式取代了早期“大哥大”手机所用的镍氢电池。

　　锂离子电池取代镍氢电池，带来了数码产品电池续航能力上一次质的飞跃，这也让人们在功能机时代很少对手机电池发出抱怨。然而，智能机时代到来之后，用户在使用手机时却越来越觉得电量“吃紧”。在功能机时代，手机硬件功耗非常少，软件也十分简单，所以手机电池的续航问题并不那么显山露水。然而，在智能手机时代，手机元器件性能的不断提升，锂电池的电量也开始有些捉襟见肘。

　　在智能手机时代，触屏操作使得用户不断追求更大的屏幕，然而，大屏幕配置正是智能手机耗电快的主要原由。“智能手机的LCD屏幕是‘用电大户’，一旦屏幕被点亮，屏幕的背光模组开始工作，手机的耗电量就会迅速飙升，以一台正常使用状态下的安卓智能手机为例，通过查看电池耗电排行，会发现屏幕的耗电量基本要占到总量的50%以上，这就是为什么厂商标榜自己的手机电池可以待机十几天到几十天，但在实际使用中电池仍旧不够用。”手机硬件探测工程师李兴华在接受采访时说。

　　从功能机到智能手机，不只是手机屏幕不断增大，手机功能也越来越强。用户使用手机不再像功能机时代一样只能选择自带的几项功能，而是可以依据需求安装不同的使用程序。这导致在实际使用中，由于部分程序一直在后台调用GPS等功能，就会导致GPS模块、通信模块以及soc芯片继续工作，从而使得电池电量被快速消耗。

　　除此之外，在手机屏幕不断变大的情况下，为便于操控，用户也越来越追求手机轻薄化，这也在一定程度上限制了手机电池的续航能力。手机厂商过于追求轻薄设计的趋势下，常常可以看到一些旗舰机型的续航能力尚不及前作的表现。在功能机时代，15毫米的机身厚度属于常态，但如今，有厂商开发了拥有6000mAh电池的智能手机，但机身厚度达到11.9毫米，则被大多数消费者认为机身过于臃肿。

　　手机元器件性能的不断提升和机身的不断变薄导致了锂离子电池技术难以跟上脚步，而手机电量吃紧的另一个原由，则是“手机依靠症”的不断蔓延。在过去，除了打电话、发短信，人们很少会一直盯着手机。而如今，手机已经被人们时时握在手中，发微信、刷微博、打车、导航、购物、游戏、办公等，人们的生活已经彻底与手机绑定在一起，每天使用手机的时间不断增长，手机电量自然越来越难以满足需求。“同样拥有显示屏，同样需要计算，但人们对于数码相机的锂离子电池就少有抱怨，因为绝大多数用户对于数码相机的使用频率是远远低于智能手机的，并且在人们日常使用智能手机时，导航、游戏等重度使用场景越来越多，加之在智能手机大屏化、轻薄化的趋势下，形成了手机电量需求提升迅速，供给上涨受阻的局面。”科技评论人钱晟接受采访时说。

　　2012年，人们还在讨论智能手机的电池会不会达到3000mAh时，如今，这样的电池容量已经成为各家旗舰机型的标配，在锂电池商用的20多年间，经过继续的技术拓展，锂电池在充电效率、电池容量、发热冷却等方面都在一直进步，但这依然不能满足人们对智能手机电池续航能力的需求，并且锂电池的发展已经步步维艰，每前进一步都异常艰难。现代电池范畴的科学家、磷酸锂铁之父JohnGoodenough也感叹电池研发已进入瓶颈。锂电池曾经是电子产品快速发展的推动者，如今却逐渐成为了妨碍智能手机前进的最大绊脚石，面对这样的局面，手机厂商又该要怎么样应对。

　　曲线救“电”

　　提升手机电池的续航能力，最笔直的方法就是将手机电池尽量做大，为在有限的机身空间中做到这一点，越来越多的手机厂商开始效仿苹果的iphone，将手机电池设计为不可拆卸。“通过电池和手机的‘一体化’，省去了原来电池的硬壳保护，可以增加电池体积和能量密度”，钱晟对记者说。然而，在手机轻薄化的主流趋势下，电池的体积不可能无限加大。并且，这种“一体化”设计的缺点也是显而易见的，用户不能再像过去一样准备几块备用电池用于更换，一旦手机电量耗尽就不得不寻找电源进行充电。

　　手机电池的续航“不给力”和不可拆卸，甚至催生出一种新的数码消费品——移动电源，人们也习惯称其为“充电宝”。如今，移动电源产品已经形成了一个巨大的消费市场，数据显示，2014年国内移动电源市场规模为165亿元，预计2015年将会增长到220亿元，同比增长超过30%。记者在调查中发现，目前市面上主流的移动电源产品的电池容量从5000mAh到50000mAh不等，有的更是标注到80000mAh。而移动电源产品的售价也从几十元到上千元不等，采用太阳能和手摇充电的另类“充电宝”也层出不穷，不少移动电源产品还被厂家设计得尽量美观，让它在使用中显得不那么笨拙丑陋。

　　但由于标准缺失，网购和市面上销售的移动电源产品鱼龙混杂，充斥劣质产品，因质量问题所引发的事故屡见不鲜。针对移动电源产品市场杂乱的局面，日前，国家标准委官网发布了《便携式电子产品用锂电池和电池包安全要求》(GB31241-2014)国家标准。该标准对移动电源产品有了具体的探测规定，包括工作参数、电路安全等30多项探测要求，以确保移动电源产品安全可靠。该标准已于8月1日正式实行，这使得今后的移动电源产品市场将更加规范，在人们还“无力摆脱”移动电源产品的时候，起码在用移动电源产品“给手机打吊瓶”的时候可以安全放心地使用。

　　手机厂商也看到了移动电源产品的巨大商机，小米、魅族、一加等国内手机厂商也纷纷推出自家的移动电源产品，但无论移动电源要怎么样安全可靠，对于消费者来说，都是一个负担。

　　如今的手机已经是软硬件高度结合的智能终端，这也让很多手机厂商开始从软件角度去尝试优化手机续航。记者知道到，目前大多数安卓系统手机都内置了省电模式，而今年即将发布的苹果手机ios9系统，在探测版中也曝光了“低电量模式”。当用户开启手机的省电模式后，耗电量会大幅下降，但手机的部分功能也会受限。智能手机的省电模式大都是以降低屏幕亮度、封闭WIFI及蜂窝数据网络、降低解决器主频等方式来实现耗电量下降，有些机型甚至提供了简化主屏甚至是屏幕黑白显示等“极端”方式来延长手机电池的续航。

　　钱晟告诉记者，使用省电模式的方式可以让用户在手机低电量的情况下勉强维持，但其本质无非是让智能手机在低电量的时候变回一台功能机，并不是从根本上处理智能手机电池的续航问题。除此之外，也有不少公司开发出“电池医生”、“省电王”等手机使用，通过管理后台使用等方式来减少手机耗电量，但这在用户重度使用下显得杯水车薪。

　　在“充电宝”和软件优化都没能很好处理手机续航难题的局面下，研发人员开始尝试新的途径处理问题，他们将冲破口放在手机充电时间上。用户对于手机电池的抱怨，一方面是因为电量不够用，另一方面则是因为充电时间过长。以今年智能手机入门级的2000mAh电池配置为例，要洋溢这样一款手机一般需要用时3小时左右，如果能够将充电时间大幅度缩减，将极大地提升用户的使用体验，手机快充技术应运而生。

　　目前，高通、三星等知名移动技术厂商都拥有了自家研发的快充技术，并且，由于高通和三星在移动芯片市场中份额巨大，快充技术在今年已经成为市场主流手机的标配，国内的手机厂商OPPO则推出了自己研发的VOOC快充技术。“快充技术简单来说，是通过不同的电压和电流组合，实今朝电池低电量时高压、大电流快充，再在接近洋溢的时候减慢充电速率”，李兴华向记者解释到。但快充技术需要手机的芯片、主板、电池、充电器等多个元件的配合，这让用户在标配充电器不在身边时很可能无法进行快充。另一方面，快充技术对于锂电池寿命是不是存在影响，在业界尚无定论。

　　为了使手机电池续航表现有所改观，人们仿佛想尽了各种方法，但依然是无奈之下的选择，若想真正处理手机电池续航能力弱的难题，还应当更多地从电池技术本身寻找冲破。

　　将来会好吗？

　　有人曾说过，如果你觉得自己足够聪明，并且是个幸运儿，那你应当从事电池技术的研究，只要新的充电电池专利握在你的手里，那你将成为这个世界上的顶级富豪，更紧要的是，你将成为这个时代的科技英雄。而新能源初创公司A123高管AndyChu则说，能源储存是大玩家才进入的游戏，因为在电池上，太多事情可以发生错误。电池技术作为使用电气化学范畴的一个分支，其进步过程中可谓举步维艰，但每前进一步，都会给这个世界带来巨大的欣喜和变化。

　　智能手机的电池技术看上去没有像手机本身那样发展迅猛，但实际上，人们对于电池技术的研究却并非停滞不前。不论是斯坦福大学主导的锂阳极电池，加州大学河滨分校研究的硅电池，还是诺基亚与伦敦大学玛丽皇后学院合作的通过吸收环境噪音发电的“纳米发电机”，都在不断探索电池技术的将来。以色列特拉维夫大学在研究治疗老年痴呆症的药物时还意外地发现了一种具有极高电容性的肽分子，理论上，如果可以用这种材料制造手机电池，能让手机的充电速度大大提升，这些研究人员还成立了专门的公司，希望研发出一种能在一分钟就洋溢的手机电池。不过，这些听上去不错的技术，目前还仅能在试验室等高端环境下工作。

　　关于电池技术进步的消息每年甚至每个月都会被媒体曝出，但要实现产业化则需要一个漫长的过程。新型电池技术需要长时间试验来处理批量中的各种问题，惟有实现了高效、稳定、易于封装使用等基本条件，新型电池技术才具备商用的潜质，而目前，这些新型电池技术距离大规模制造和商用还有很长的一段路。另外，苹果、谷歌、戴森等电子消费品巨头也在积极与电池厂商合作，希望能够在技术上获得冲破，但短期内还很难有巨大进展。

　　将来的“超级电池”要走出试验室来到消费者的身边并不是一朝一夕的事情，锂电池的历史使命很可能在将来相当长的一段时间还要持续下去。

　　面对电池工业这样的发展瓶颈，就像面对一口不出水的枯井，我们可以重新选址去打一口新井，但未必就能如愿以偿，也可以尝试将眼前这口井再打深一些，从现有技术中去挖掘更大的潜能，那锂电池技术是不是还有进步的空间？

　　从上世纪70年代第一块锂电池制成，到20年之后索尼将锂电池技术正式投入商用，再到如今的日趋成熟，锂电池技术的发展已经度过了近50年的时间。但不少业内人士认为，从降低加工成本、提高能量密度的方面来看，锂电池仍有非常大的改进空间。

　　汽车业新宠特斯拉的电动车所采用的是自家加工的锂电池，有人曾拆解特斯拉的电池包，发现是由一个个像五号电池一样的电芯所组成的。为了供应自家电动车，特斯拉投资50亿美元在美国内华达州建造了一座超级电池工厂。依赖与松下公司的合作，特斯拉在电池加工工艺上进行革新，自2008年至今，特斯拉的电池包成本减少了近一半，比一般的锂电池制造厂的加工成本要低30%左右，而储能效率惊人的提升了近60%。由此可见，其他锂电池厂商的改进空间还有很大。

　　而锂电池的能量密度近10年来也一直在震荡中上升。2005年，采用聚合物电解质的锂电池开始逐步取代之前的液态锂电池，聚合物锂电池在电化学特性上更加优秀，并且在塑型上更加灵活，可以使电池的体积利用率更高，锂电池迎来能量密度上的一次大提升。但到了2008年前后，锂电池能量密度的提升速度开始减缓，随着电池安全问题引起大家的重视，电池加工商开始不断提高电池的安全性指标，将锂电池的外壳不断加厚，这使得在随后三四年间，手机电池的能量密度一直保持平稳。到2013年以后，电池加工商通过不断改善工艺，提高了电池材料的压实密度，锂电池的能量密度又有一次提升。

　　目前，主流手机电池能量密度已经达到了600Wh/L（瓦时每升）左右，联手比亚迪进军智能手机市场的蓝魔数码，更是被传出将会在自家手机上采用800Wh/L超高能量密度的电池。近年来，我国在石墨烯锂离子电池、硅基阳极锂离子电池等技术范畴都取得了不错的成果，多家国内手机加工商都已在探测能量密度更高的新一代电池。

　　锂电池技术的将来发展将面临正反两方面因素的影响，一方面是智能手机、电动车等新兴行业的需求不断张大，锂电池的市场份额不断增长，企业不断加大研发力度，这将大大促使锂电池技术发展；而另一方面，随着人们对新能源的渴求越来越急切，将来是不是会出现一种更高效的产品来替代锂电池。从目前来看，前一因素的影响必然会发生，据统计，目前锂电池的全球市场总价值已经超过120亿美元，到2020年预计将达到540亿美元。而后一因素至今仍是一个未知数，如果有一天锂电池将被新型电池所取代，但在此之前，锂电池到底还有多少潜力可以被挖掘，我们不得而知，却也不能轻言放弃。

　　钱晟告诉记者，新电池技术的研发和锂电池技术的革新对于手机的电量续航而言都属于“开源”，而降低手机其他元器件的功耗则是“节流”。在屏幕和soc芯片等手机核心元器件的研发中，降低功耗都已经成为一个研发重点，随着元器件功耗的降低和电池技术的不断提高，智能手机的续航能力将会有所改观。

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