【科普】为啥手机电池技术进步这么慢?

2018年3月19日13:02:49 发表评论 447 views

(文章较长,朋友们耐心观看)


手机有一个重要组件几十年却没有较大改进,被人们吐槽的最多,那就是电池。


在功能机时代,手机的满电续航时间通常都在2-3天甚至更长也不稀奇,但到了大屏智能机时代,手机的续航水平却一下子降到了一天,甚至还不到。为什么电池的发展就不适用摩尔定律?为什么减小体积,增大容量对电池来说就那么难?电池的发展究竟经历了怎样的历程?今天,我们就来聊聊手机电池的,前世今生。


【科普】为啥手机电池技术进步这么慢?


80年代的人们使用摩托罗拉DynaTAC8000X手机


◆早期,以技术成熟的圆柱形镍镉电池解决有无问题


上世纪80年代,世界上第一款真正意义的手机摩托罗拉DynaTAC8000X上市。这款方方正正看起来像砖头一样的东西,重达2傍(907g),售价达到了3995美元,约合25261人民币。那么它的电池什么样子呢?


【科普】为啥手机电池技术进步这么慢?


图片右边贴着红绿标签的就是摩托罗拉DynaTAC8000X的电池(图片来自网络)


【科普】为啥手机电池技术进步这么慢?


这是摩托罗拉DynaTAC8000X测试版的电池仓内部构造(图片来自网络)


从图中能够看出电池仓内部设计可谓是丑态百出,六枚圆柱电池被胶带捆绑,组成一套输出电压为7.5V的电池组。相比如今普遍3.8V的电池电压来说,功耗要高出不少。而从包装信息上可以看出它所采用的电池,正是在那个时代广泛采用的镍镉电池(Nickel-CadmlumBattery)。


一个需要7.5V高电压供电的设备,功耗自然了得,尽管配备了如此巨型的电池组,但摩托罗拉DynaTAC8000X的通话时间却只有区区二十多分钟。然而更要命的是,给它充满电需要长达10小时。


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历代“大哥大”进化史,左边第一部是摩托罗拉DynaTAC8000X


除了续航时间短,充电时间长之外,镍铬电池的记忆效应也十分严重,无法让用户随用随充。但在那个年代,容量更高的锂电池和镍氢电池尚处于实验室阶段,科学家只能继续采用镍铬材料,但极力改进内部空间,以让电池所占用的体积更小,并且通过采用新的技术优化电路,降低功耗,从而在不断革新中降低了手机的体积。


◆90年代初,以定制方式,实现电池的小型化


到了90年代初期,随着2G标准的建立,移动通信技术已经越来越成熟,并迎来了爆发性增长,然而传统“大哥大”的外形尺寸已经成为被用户抱怨最多的地方,可以说谁的手机设计的越小,谁就拥有了市场。所以为了小型化,手机厂商开始抛弃传统内含圆柱形镍铬电池的电池仓,转而采用定制小型化的镍铬电池包。


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1992年,诺基亚发布的1011采用小型化机身,告别“大哥大”时代


1992年十月,诺基亚推出的首款GSM网络手机1011便是采用这种设计,它的体重控制在了476g,几乎是早期“大哥大”体重的一半。虽然系统的设计电压依然为7.2V,但得益于改善的功耗控制,该机的待机时间可以达到12个小时,3个小时的通话时间是第一代”大哥大“的6倍。但这样的表现依然需要一天一冲,并且镍铬电池的充电时间都要在10小时左右,想想还是蛮不方便的。


本页小Tip:


什么是记忆效应?


如果您接触过90年代的老式手机,一定记得这些手机在第一次使用的时候一定要进行一次长时间的充电,并在每满一个月左右的时候定期进行一次深度的充放电。不然手机的电池容量便会降低明显。这就是记忆效应。这种现象在早期的镍镉电池最为常见,中期的镍氢电池有些微影响,而到了后期的锂电池时代,便不存在这一问题了。所以在锂电池时代,我们可以对手机随充随用。


到了90年代,随着半导体电路技术的进步,手机的体积在工程师的图纸上变得越来越小巧,但唯独电池的体积,却并不能像整机那样成比例的缩小。原因大家都很清楚,镍镉电池所能提供的电量有限,想要让手机拥有不错的续航则仅能维持较大的电池空间占比。


◆1990年,镍氢电池开始商用


镍氢电池的问世,让业界看到了手机电池新的希望,因为这种电池技术成本并没有比镍铬电池增加多少,但电池容量却有了显著提升。还有令设计者非常开心的是,相比镍铬电池,镍氢电池不仅更加环保,而且记忆效应也要比之更不明显,可谓是非常理想的替代产品。


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摩托罗拉StarTAC贝壳式翻盖手机


对于90年代初期的手机用户来说,手机的形态就是一块砖。然而有一款手机颠覆了所有人的认知,那就是——摩托罗拉StarTAC,它采用贝壳式翻盖设计,一只手便可轻松握持,而能够达到如此mini的身材,当然与小型化的电池设计是分不开的。


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摩托罗拉StarTAC所采用的小型镍氢电池模块


在摩托罗拉StarTAC身上采用了一块小巧的镍氢电池,电池的电压也从传统的7.5V降到了3.6V。


◆锂电时代,从步履蹒跚到统治全局


1992年,索尼研发多年的锂离子电池终于投入商业使用,但由于高昂的售价以及并不突出的电量优势,让其只能在自家的产品上小试拳脚。


然而,这一切随着1994年的一句广告语而打破,那年戴尔的笔记本产品首次采用锂离子电池,并且打出了:”戴尔笔记本电脑,让你在飞机上从纽约用到洛杉矶!“这句广告语就好比:”充电五分钟,通话两小时“一样让当时的人们记忆犹新。


此后,很多手机厂商便将自家产品用的是锂离子电池作为产品的一大卖点。这也奠定了锂离子电池后来碾压镍氢电池,成为手机标配的基础。


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摩托罗拉StarTAC的锂电池为选装配件


还记得之前,我们聊到的摩托罗拉StarTAC吗?该机当时还推出了锂离子电池作为配件,但只能选装,并且需要支付相比原装镍氢电池更高的费用。由于锂电池能够带来更高的电池容量,所以当时这个配件十分受欢迎。


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90年代末诺基亚推出的5110手机,锂离子电池容量1250mAh,该机一大卖点就是超长续航


到了90年代末期,随着锂电池材料技术的革新,以及制造技术的进步,容量与成本双双降低,再加上锂电池没有记忆效应的优点,所以获得了越来越多手机厂商的青睐。锂电时代到来了!


◆21世纪初,手机形态,焕发新生


时间来到二十世纪头十个年头,我相信这是80、90后的手机爱好者最幸福的年代。因为在这十年,有太多外观富于想象力的产品面世,例如下面的机型:


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21世纪前十年,各式手机形态层出不穷


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嵌入式可更换电池,是那个年代电池的主流设计


手机电池的形态一直在进化,并潜移默化的影响着手机的外观。起初,由于它占用的体积巨大,所以手机的体积也巨大;后来,电池缩小了不少,手机也开始出现翻盖这种颠覆性的设计;而到了再后来,当电池可以轻松埋在手机内部隐藏起来的时候,手机的设计便开始天马行空起来。可以看出,手机电池的大小,对于手机外观的影响是多么巨大!


本页小tip:


镍铬与镍氢电池为什么会淘汰?


镍铬电池含金属铬,会对环境产生污染,并且这种电池记忆效应明显而电量又不占优势,对于需要随用随充的手机来说不太合适,所以会被淘汰。而镍氢电池,虽然十分环保,但具有较轻微的记忆效应,但随着技术的成熟这个问题已经得到缓解。相比锂离子电池,它在容量上存在硬伤,而且随着后者成本的降低,镍氢电池的成本优势不再,所以最终锂离子电池将二者取代。


为什么市面上全都是5号,7号镍氢充电电池,而不是锂电池?


因为在早期,5号电池的电压规定为1.2V,并且在这一标准下诞生了很多商品,例如钟表,录音机,遥控器等产品,而镍氢电池的平台电压刚好是1.2V,并且从循环次数和成本方面要比锂电池更胜一筹,所以拥有3.7V平台电压的锂电池便没有了多少存在的意义。


◆大屏时代——电池再次成为发展的瓶颈


2007年,苹果发布iPhone,正面一块大屏,一个按键,一个听筒,就是你看到的全部。如此极简的设计在当时引起不小轰动,但后来这种大屏设计却仿佛成了行业的标准,一直延续至今。然而,在这种设计之下,电池再次成为制约手机发展的瓶颈,因为手机的续航时间再次回到一天一充的水平。


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iPhone5的内部,电池占了近一半的空间


我们随便拆开如今的一部手机,便会发现它的内部,电池占据了绝大部分空间。而且如今的锂电池比以往任何时候的能量密度都要高。但这也架不住我们对手机越来越深的依赖,导致屏幕,处理器,内存等电子元件大口大口的吞噬来自电池释放出的电子。手机的设计者们也在不停地在寻找解决方案。例如下面这些例子:


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中兴天机Max采用的层叠电池设计


在我拆解过的中兴天机MAX手机内,设计者利用锂离子聚合物电池可以自由塑造形态的特性,而打造出了层叠电池,来压榨手机内部仅存的那么一点空间。但这样的成本较高,收效却较小,所以并没有成为主流。


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iPhoneX采用双电池设计,巧妙利用机内非矩形空间


苹果用iPhoneX告诉我们,一个锂离子电池解决不了的问题,那我们就用两个来解决。但根本问题在于电池依然占据绝大部分空间,手机的续航也并没有突出表现。


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荣耀Magic电池,改变石墨负极的分子结构,实现高效快充


而另一种曲线救国的方法,成为业界的主流,那就是引入快充技术。然而充电过快,对于电池的安全以及寿命都会有影响。为此,有的厂商开始对电池材料本身”动手脚了“。在荣耀Magic的电池内,华为引入了一种新的锂离子聚合物电池技术,通过引入杂原子,改变石墨负极的分子结构,从而实现了在不影响电池寿命的前提下,快速充电。而充电的最高功率,高达40W。这让该机充满电的时间不超过一个小时。


但快充技术无论多么先进,必须拥有合适的充电环境以及器材的制约,便决定了它无法从根本上解决如今手机续航不足的问题。


◆那么问题来了,为什么电池进步这么困难?


在过去20年里,手机的供电材料几乎被锂离子电池统治着,但是相比屏幕,处理器等原件,电池的技术进步却并不明显。但当我们为此而焦躁的时候,其实电池研发的科学家们或许比我们还焦躁,因为他们几乎把元素周期表上所有元素所能组成的物质都进行了推演,力求找到新的正负极材料。


但即想要它足够安全,又要它具备足够多的能量以及极高的充放电循环次数,还要满足工业化的低成本生产,想要做到这些要比单纯提升晶体管工艺,增加屏幕尺寸难得多得多.......


文后小tip:


怎样合理的使用锂电池,让它具备更长寿命?


过充和过放是影响锂电池寿命的较大因素,而将手机充满,和用到没电,是手机最接近过充和过放的节点。所以尽量避开这两个节点,平时充到90%多点就行了,用到10%以下就尽快充电,这样可以有效增加电池的寿命。


快充技术对于电池的影响?


快充技术对电池寿命会有影响你知道吗?短时间大电流充入电池也是会影响电池寿命的。但由于如今手机使用年限大多在1-2年,循环次数不算太多的情况下影响可能不会太大。但还是应该引起我们的注意。


科普:手机充电技术发展史

随着科技的发展,智能手机的性能愈发强大,普及度也是越来越高,而它在我们的日常生活中的地位更是水涨船高。但是在电池技术没有什么突破性发展的今天,续航成了所有手机不得不提的一项参数,而充电作为其中不可或缺的一环,也是被各大手机厂商不遗余力地进行宣传。今天小七就和大家来聊一下手机充电技术的发展,由于小七本人知识有限,文中若有任何错误欢迎大家指出。


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前排提示:本文没有提及无线充电


充电知识


在继续后面的故事之前,我们需要先补充一点基础的充电方面的知识。


知识点①:充电的电压以及发热


目前大多数手机使用的电芯都是单锂或者多并锂组成,电芯工作电压在3.0V~4.4V之间,均压平台3.6V-3.8V。当进行充电行为时,电能进入手机后通过手机内的降压电路处理后再输出3.3~4.5V左右的电压给电池充电。而这个电压转换压降过程,就是由手机内的充电管理IC模块负责。


这个电压转换压降过程会产生发热,电压差距越大产生的热量会越多。


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知识点②:充电的电流以及功率


手机充电时的电流并不是一直不变的。优秀的充电方案应该是手机需要多大的功率,充电器就给多大的功率,而不是手机只能被动地接受充电器一成不变的功率。


当手机处于低电量的时候,手机会要求充电器火力全开,这就是所谓的充电峰值。在这个时候充电速度非常快,但是损耗和发热也很大。


充电时,随着手机电量的上升,充电的功率往往是逐渐下降的。当手机的电量充到60%~80%的时候(具体看手机厂商的设定),充电电流会减小,以达到减少电池损耗和手机发热量等目的。


在后面这个阶段,电流往往只有几百毫安甚至更小,充电的功率也很小(相对而言),也就是我们常说的涓流充电。


需要注意的是,涓流充电是大功率充电时代的产物,对于5V/500mA的充电器是没有涓流充电这么一说的。(电流本来就很小)


下面开始正文,本文分为“史前”时期、初露锋芒、快充现世、高低之争和一统天下五个部分。


“史前”时期


我们先来说一下当年功能机还统治着地球的时期,比较早期的充电器和现在的充电器主要有三个比较明显的区别:


① 以前的充电器并不像现在这样数据线和适配器(充电头)分开,而是一体的,也就是充电头连着数据线;


② 以前的充电器功率其实很小,一般都是5V/500mA,也就是2.5W(瓦)的功率;


③ 以前的充电器单纯只能充电,而现在负责的充电器把数据线拔下来接到电脑上还可以进行数据传输(同时也能充电)。


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▲图左为老式一体充电器(黑),右为新式分体式充电器(白)


注:此处并非指分体的充电器要优于一体的充电器,实际上两者各有优劣


为什么当时的充电器功率这么小呢?主要原因有两个:


① 手机相对功能少,耗电少,因此电池也小(大多数是几百毫安时/mAh),不需要太大功率的充电器;


② 大功率的充电器制造难度大,成本高,在当时的环境下显然不划算。

但是随着手机的发展,尤其是安卓手机的崛起,手机功能也开始增多,耗电量也开始增大,电池容量也开始突飞猛进,到了动则上千毫安时的时代。这个时候如果还是继续使用着5V/500mA的充电器,那么就会出现充电非常慢,而且会出现边充电边玩手机,电量还是越来越少的这种”入不敷出”的情况。

在智能手机萌芽的时候,USB接口在手机上也随之普及开来。而手机充电技术的变革,就从这里开始了。


初露锋芒


比较早开始出现的充电标准是USB BC 1.2(BC是Battery Charge的简称)。

USB规格第一次是于1995年,由Intel(英特尔)、NEC(日本电气株式会社)、Compaq(康柏)、DEC(美国数字设备公司)、IBM(国际商业机器公司)、Microsoft(微软)、Northern Telecom(北方电信公司)等七家公司组成的USB IF(USB Implement Forum)共同提出。


BC 1.2的出现,让同时进行充电和数据传输成为了主流。


USB BC1.2标准由USB IF协会于2010年颁布,指的是可直接为关闭的便携式设备电池充电,成为建立通过USB端口为电池充电的正确方式的关键标准。

说白了,BC1.2就是可以给包括手机在内的便携式设备使用USB接口充电(包括关机充电)的一套官方标准。


BC 1.2出来之前,除了日渐强大的智能手机,诸如数码相机、DV等便携式设备也开始逐渐受到人们的青睐。这些便携式设备与电脑之间的数据交换也变得频繁了许多,因此,USB接口在这些设备上开始普遍起来。


尽管USB接口出现的目的是为了传输数据和连接诸如键盘鼠标的设备而并不是充电,但是在这时候,如果能使用USB接口给这些设备充电,那么就会方便很多,USB BC 1.2也就应运而生了。


目前市面上主流的USB接口可以分为USB 2.0和USB 3.0两种,其中两者的电压都是5V,而电流方面USB 2.0为500mA,USB 3.0为900mA。


注:


① USB 3.1 gen1其实就是USB 3.0的马甲版(最大传输速率仍然是5Gb/s),而USB 3.1 gen2才是升级版,最大传输速率可达10Gb/s,最大输出电压/电流可达20V/5A);


② 传输数据的USB 2.0的线缆中只有四根线,充电的MicroUSB 2.0线缆中有五个触点,而USB 3.0中升级为了九根线;


③ 常见的USB分线器/集线器/HUB等可以将一个USB接口分出多个USB接口的设备,在没有独立外接电源的情况下,很有可能因为给每个USB接口提供的电流不足而导致连接在该USB接口上的设备无法正常使用甚至是损坏,因此大家在使用这类产品的时候一定要小心。


USB BC 1.2最大的功劳就是使得USB充电的最大电流能够达到1500mA也就是1.5A,尽管它没有提升电压(因为要适配其他便携设备),但是将电流提升到1.5A之后,USB接口充电的最大功率就能够达到7.5瓦(W),这个时候的USB BC 1.2已经足够应付当时的手机充电了。


USB BC 1.2的出现不仅使得当时的USB充电规范混乱的场面得到了规范,而且它对于集线器/分线器/HUB也有着很好的支持,特别需要注意的是,为了保证每个接口能有足够的电流,支持BC 1.2的集线器/分线器/HUB往往都需要外接电源。


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▲图为USB BC 1.2工作方案


前排提示:千万不要小看USB IF协会哦

来源:网络 维修狮 整理发布

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原文始发于微信公众号(维修狮):【科普】为啥手机电池技术进步这么慢?

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