手機續航噩夢?電池發展的希望何在(全文)_辦公列印評測試用-中關村...

1古老的電池與媒體大忽悠

    【中關村在線原創】智慧型手機時代，另外一個產業火爆了起來：移動電源。因為手機本身的電池不夠用，隨便玩玩半天就沒電的手機現在到處都是。說白了，就是實際上能滿足待機需求的手機，重量應該是你的手機加上你的移動電源。可是沒人想帶著磚頭一樣的產品吧？這是歷史的倒車。但是理想的電池在哪裡呢？

古老的電池與媒體大忽悠

     所有的電池，其實都是電化學反應。在初高中的化學課本裡，我們使用的是銅棒和鋅棒放入盛有稀硫酸的燒杯裡面，這時候如果用電線接通銅棒和鋅棒，裡面就有電流通過，也可以用萬用表來測量這個比較微弱的電流。

原電池反應：得失電子是所有電池的理論基礎

     上面所說的就是原電池。今天的所有電池，在本質上，依舊離不開陰極陽極以及氧化還原反應。上面圖片裡面的原電池，就是鋅失去兩個電子而銅得到兩個電子。

國產超級電容公交車在演示充電，最大充電電流800安培，最大充電功率600千瓦

     現在，很多無知的記者或者說缺乏自然科學了解能力的記者，往往會宣傳一種產品：某某科學家發明了新電池技術，XX秒就可以充滿電！拜託，這種幾秒就能充滿的，是電容不是電池！電容和電池的區別在於，電池是用化學反應來儲存、釋放電，而電容則是電勢差，並且電容的單位是法拉，我們常見的電池、充電器一般用安培時間來標註容量。而電容的特點是可以很快速的充電，但是和電池是兩碼事。超級電容目前只在公共汽車等環境可以使用，充電電流高達200安培（iPad是2安培左右），但是充電後的續航只有幾公裡。超級電容只是研究的一個方向，距離替代今天的充電電池還需要走的路很長很長。

噩夢一樣的界面：有沒有讓智慧型手機充電一次續航一周的超級電池呢？

    對於現在的人們來說，智慧型手機好用待機短，成了所有人的心病，而現在的解決辦法竟然是要去解決處理器的功耗……而不是提升電池，那麼電池到底瓶頸在哪裡呢？

2先了解能量密度

先了解能量密度

    能量密度是個非常有趣的概念。它有兩個不同的表現形式。因為不同的電池，使用的材料不同自然物理密度也就不一樣，所以有瓦時/公斤與瓦時/升兩種不同的表現形式。對於普通的手機來說，肯定更關注後面的參數，因為手機內部空間有限，尤其是最近手機企業都在拼命把手機做的很薄。

最近火爆的小牛電動車用18650電池組，很少見，常見的是磷酸鐵鋰電池

飛行器顯然希望更輕的重量有更高的能量

    但是到電動車上又是一種情況。電動車的空間相對寬裕，但是如果電池原材料如果密度過大，顯然會讓很多功做在了運輸電池自身上。而對於要飛起來的無人機等等，重量的意義就更為明顯，同樣的做功輸出能力輕幾克都是非常重要的。

汽油的能量密度超高，超過了12000瓦時/千克，而手機電池是150-250瓦時/千克，差兩個數量級

    對於能源，我們最熟悉不過的就是汽油。那麼汽油如果完全燃燒，它的能量密度是多少呢？現在的估算，大約是12000瓦時/千克。這是個非常大的數字，由於汽油機做功效率比較低，所以我們的油耗一直不算太低。

常見的18650鋰離子電池，是現在的主力產品，特斯拉電動車也是用其做動力儲備

    那麼我們的鋰電池能量密度是多少呢？常用的鋰離子電池，大約範圍在150-250瓦時/千克，鋰聚合物的密度大，可以達到300瓦時/升，對比汽油，完全不在一個數量等級上，差了百十倍。當然也不能說沒有進步，隨著工藝和材料的改良，我們常用的鋰電池密度其實是在逐步提升的，甚至對比十幾年前的初代產品（鋰電池是1991年由索尼開始量產）已經翻了幾倍，但是對於今天的智慧型手機用戶來說，他們希望的是十倍的提升，也就是充電一次，可以用一周左右，能恢復到之前功能手機的電池續航能力即可。

3電極的材料

電極的材料

    電池反應容易，但是我們生活周邊的各種電池很多，而且有著不同的用途。比如汽車用來啟動，也是很多採用的鉛酸蓄電池，它的特點就是啟動的時候電流特別大，這對於內阻大的電池來說就是噩夢，所以現在的車用蓄電池的內阻就非常小，適合這種大電流放電。

電壓、內阻、循環次數等等都在考驗電池的材料與工藝

    所以，針對不同的應用場景，要尋找不同的電池材料，他們的輸出電壓、電流、內阻、可循環次數等等，都是要考量的指標。以手機、平板等設備為例，我們用的電池，都需要能夠承受數百次、上千次的充電循環，然後再性能劣化，所以我們現在用的鋰離子（鈷酸鋰）、鋰聚合物電池都適合做手機或是移動電源的充電設備，並且它們的輸出電壓3.6V，也有利於直接驅動IC。

熟悉的愛樂普：容量大、低自放電，但是電壓1.2V，不適合現在的行動裝置

    而我們常見的鎳氫電池，比如松下（三洋）著名的愛樂普，就是改進了自放電的表現，充滿電放一年依舊有80%以上的電量，所以很受歡迎，並且也可以循環多次，可為何手機上不用鎳氫電池呢？這是因為鎳氫電池的電壓只有1.2V，所以如果要達到3.6V，就要三塊串聯……顯然要比現在的鋰電池需要更多的空間，而容量上兩者又差不多。

常見的電池與能量密度，有希望的幾種電池我們會單獨說

    電池放電，要求材料具有高儲能密度，並且在多次循環充放電這個過程中，依舊保持很高的容量，並且最好有利於工業化生產，這樣的材料有嗎？

4燃料電池：已然在路上

燃料電池：已然在路上

    燃料電池的在路上，是真真正正的在路上：豐田今年正式發布了氫燃料電池汽車Mirai。與純電的特斯拉一樣，豐田公開了汽車用氫燃料電池的專利，其它車廠可以免費用，此舉旨在擴大氫燃料電池的市場。

豐田Mirai，首款正式發售的氫燃料電池汽車

氫燃料車離不開高壓氫氣罐，左邊是豐田Mirai，右邊是寶馬H7

    在技術原理上，氫是消耗品，作為燃料電池的反應動力來源。豐田的Mirai帶有個超高壓氫氣瓶，可以攜帶5公斤氫，續航能力能達到600多公裡，平均每公斤氫的續航為100公裡以上。之前寶馬也有氫燃料汽車H7，同樣背著氫氣瓶，不過寶馬的方案裡面有發動機，氫氣是燃燒氣體做工，與傳統的汽油機類似；豐田的則不一樣，氫是參與燃料電池反應發電，電池提供113千瓦的電力給電動機驅動汽車前進。當然，作為清潔能源，氫的反應結束之後，只有一種產物：水，不汙染環境。

氫燃料電池的原理：催化劑普遍使用非常昂貴的鉑（Pt），俗稱白金

    氫燃料電池當然好，但是這只能給車用，手機用戶肯定不可能帶著碩大的燃料電池以及高壓氫氣瓶……而很多其它材料的燃料電池很難迴避的問題還是材料，依賴鉑這種貴金屬，並且對空氣要求高。一來昂貴，二來也不現實，前幾年，北京弄了兩輛材料裡面有鉑的氫燃料電池公交車，在郊區行駛兩年試驗，其中有一臺一年就燒了六次動力單元，廠家的理由居然是北京空氣不行含硫、氮化合物太多PM2.5太高，試驗只能草草了之……

5IBM：Battery 500偉大計劃

IBM：Battery 500偉大計劃

    2009年，IBM設立了一個電動汽車動力相關的計劃：Battery 500，顧名思義，就是想通過研發，獲得讓汽車一次充電續航超過500英裡（800多公裡）的能力。

IBM Battery 500：充電一次續航500英裡的偉大設想

    IBM的研究重心是：鋰-空氣電池，這也是現階段汽車動力的重點方向，不僅僅IBM，全世界都在研究鋰空氣電池。這種電池的原理不複雜，就是活潑金屬鋰和空氣中的氧氣反應放電，但是這個過程中，不是生成固體的氧化鋰，而是通過溶液，生成液態的氫氧化鋰。在反應的過程中，空氣中的氧氣相當於無限提供，而鋰則作為消耗品，有點像我們家用電熱水器裡面的犧牲陽極。

鋰-空氣電池的原理，讓空氣中的氧與電池中的鋰反應，但是生成LiOH鹼性電解質，而不是氧化鋰

    鋰空氣電池的理想狀態是：增加續航，不用充電，只要更換反應用的溶液和金屬鋰即可，溶液裡面的氫氧化鋰可以很容易的電解還原再得到金屬鋰循環利用，相當於電廠充電，汽車端只需換鋰和電解液做電極就行，可以超高速的實現續航。

鋰-空氣電池原型，現階段容量還做不高，距離500英裡、快速續航的目標還很遠

    另外一個關鍵是：鋰空氣電池的能量密度極高，對於今天的電池，是指數級別的提升，說白了就是如果研發成功，續航的噩夢就不復存在，因為空氣中氧氣的供給是無限的，所以理論上鋰空氣電池容量可以無限大……但是，鋰空氣電池的現實是骨感的：實際的產品容量不高，並且現有的方案的化學反應研究也不夠透徹，都發生哪些反應、怎麼反應的都搞不清楚，所以研發還需要很多年才能真正的產業化，目前除了IBM，包括日本旭硝子之類的高技術企業也都加入了這個計劃。

    鋰空氣電池，也難以小型化，目前看只能是汽車用，手機用不了，並且能上路的車，起碼要等到2020年。

6手機的希望：鋰硫電池？

手機的希望：鋰硫電池？

    說一千道一萬，現在有希望應用在手機上的高能電池是什麼？因為前面說的電池，基本都是作為動力電池，應用在汽車上面多，很難小型化。而我們常用的手機電池基本都是鈷酸鋰電池。因為現在鈷酸鋰電池的優點很多，比如相對安全、耐循充放電循環、工作溫度範圍廣等等。即便是鋰聚合物電池，鈷酸鋰也應用很多。

現在使用了大容量電池，在3、4G下依舊使用時間有限（圖：anandtech.com)

    但是問題是，從1991年索尼開始量產到今天，鈷酸鋰電池的密度提升有限，也就是扛不住現在的手機對電池的消耗。我們需要在現有體積上，容量更大的電池來支持智能設備的續航，而這現在是全世界的軟肋。並且鈷酸鋰電池的主要原料，鈷，本身並不算地球上富集的元素，價格也在逐年上漲。

鋰硫電池是目前突破的主要方向，有望小型化用在手機上

    目前基於鋰金屬的電池材料方案當中，研究的比較多的是鋰硫電池。硫和氧是同族元素，所以鋰硫電池的反應，有點類似鋰空氣電池，但是最大的不同是硫是固體。並且在理論上，鋰硫反應的能量密度非常高，有望把現有鈷酸鋰電池的能量密度提升一個數量級，達到接近2000瓦時/公斤，電壓1.5V-2V。

實驗室裡面的鋰硫電池，問題非常多，距離產業化要走的路起碼還有5年以上

    鋰硫電池的反應很簡單就是2個鋰與一個硫結合形成Li2S，鋰失去兩個電子。但是問題同樣非常多。除了鋰和硫本身活潑的屬性之外，很大的問題是硫和硫化鋰的密度差距很大，這樣導致在反應的過程中有膨脹……並且硫本身導電性很弱，也不利於充分利用反應物。現在的辦法是炭做載體。關於鋰硫電池的研發投入非常大，但是至今也沒有工業化的希望。很多實驗室裡得到的結果，甚至連重複實驗都很難做到，因為反應很複雜，而反應的雜質有什麼影響，也搞不清。恐怕能全部搞清楚也要段日子。

美國能源部橡樹嶺國家實驗室展示它們的鋰硫電池，不過也是實驗室產品且不穩定

    當然，除了上面說的幾個熱門電池，也有進行其它前沿研究，但是研究的深度還不如上述的電池材料。這種全世界研究十幾年、得不到結果的狀況，在電子設備上不多，但是到電池這裡，已經卡住很多年了，參與研究不是幾個企業，而是幾乎全世界的科研機構、公司都想取得電池突破，但是都無功而返。

    結論：絕望，只能繼續忍受。如果你覺得自己是那個幸運兒，並且足夠聰明，應該從事電池的研究，只要新的可行充電電池專利是你的，財富躋身世界前100應該問題不大，因為現在全球每年投入到電池研發上的資金加一起，恐怕已經足夠將一個人送上財富富豪榜前列了。而作為普通消費者，恐怕依舊要繼續忍受我們目前不給力的電池，並且不知道什麼時候會有突破，或許十年、二十年，而這種材料科技，正是一個國家科學研究能力的體現。

    電池大戰正酣，鹿死誰手未知。