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    从万能充到嵌入式,一起看看手机电池的“进化之路”

    作者:陈玲丽时间:2021-02-25来源:电子产品世界收藏

    镍镉电池到镍氢电池再到锂离子电池,的发展一直都在向着更加环保、续航能力更强的路线前进着。从万能充到嵌入式,大家一起看看的“进化之路”吧。

    本文引用地址:http://www.0546ztq.com/article/202102/422940.htm

    按制造材质分:电池的种类分为镍镉、镍氢、锂离子三种电池。

    镍镉电池

    镍镉电池是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类,它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。镍镉电池是由两个极板组成,一个是用镍做的,另一个是镉做的,正极为镍,负极为镉,这两种金属在电池中发生可逆反应,因此电池可以重新充电。

    因为有镉的原因,有记忆效应,每次充电都须先放电,需先放完电才能充电,否则它的记忆功能将大大降低手机的充电量,只有将电池中的余电放净后再进行充电才能保持电池的充电量。

    镍镉电池最致命的缺点是,在充放电过程中如果处理不当会使得服务寿命大大缩短。通常镍镉电池的充电次数为300~800次,在充放电达500次后电容量会下降至约80%。

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    1983年,摩托罗拉推出了第一款真正投入商用量产的手机DynaTAC 8000X,重量高达907g,由于巨大的也被称为“大哥大”。其中由六节可充电镍镉电池组成的7.8V(6*1.3)电池组基本占了其中六分之一(约25*6)的重量。采用可拆卸设计,只能使用专门的充电底座进行充电,以后很长一段时间内手机电池都是使用底座进行充电,没电就直接更换电池的日常习惯。

    时间来到90年代,随着以GSM为主的2G标准建立,移动通信技术和手机内部元件集成度都更加成熟,传统的“大哥大”造型开始往小型化发展,电池模块为了适应手机整体外观的发展,开始出现多种解决方案来解决传统的串联镍镉电池组体积过大的问题。

    此外,镉是有毒的,因而镍镉电池不利于生态环境的保护。众多的缺点使得镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。

    镍氢电池早在上世纪70年代就开始在民用领域的探索,而在1900年开始被商用之初,就被认为是镍镉电池的接班人,这种电池的生产成本跟镍镉电池相若,能量密度约是同体积镍镉电池的1.5倍,而且记忆效应也被大幅降低,让它可以实现更小的体积和更频繁的充电,也可以支持更高功率的充电,充电速度和续航能力都得到了大幅提升。

    镍氢电池

    镍氢电池和镍镉电池外形上相似,而且镍氢电池的正极与镍镉电池也基本相同,都是以氢氧化镍为正极,主要区别在于镍镉电池负极板采用的是镉活性物质,而镍氢电池是以高能贮氢合金为负极,因此镍氢电池具有更大的能量。同时镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池亦基本相似,故镍氢电池在使用时可完全替代镍镉电池,而不需要对设备进行任何改造。

    不过镍氢电池存在自动放电过快和电量衰减等问题,在手机上应用并不完全适用,早期主要通过较低的成本获得一定市场,在锂电池价格和技术都稳定下来后,就鲜有在手机产品上应用了。

    锂离子电池是目前手机上使用最主要的电池类型,商用时间略晚于前面提到的镍氢电池,在1992年由索尼率先投入量产,不过当时受限当时并不突出的容量优势以及高昂的售价,诸如形状可控、稳定性高、充电效率高和理论能量密度高等优势通通没法显示出来。

    锂离子电池

    锂离子电池是一种智能电池,它可以与专用原装智能充电器配合,达到最短的充电时间、最大的寿命周期及最大的容量。锂离子电池是目前性能最好的电池。与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相比,电量储备最大,重量最轻、寿命最长、充电时间最短,无记忆效应,环保无污染。

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    锂离子电池因采用特殊的技术处理,因此允许在2小时内快速充足电,而且安全性能大大提高;允许工作温度范围宽,锂离子电池可在-20℃~+60℃之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。不过安全是锂电池的一个问题,所有锂电池都必须通过集成电路进行控制,如果电路不存在,锂电池可能会发生热失控。

    单体锂离子电池的电压为3.6V,正极使用锂化合物,负极为碳,锂离子电池的比能量可达镍镉电池的2倍以上。与同容量镍氢电池相比,体积可减少30%,重量可降低50%;寿命长,优质锂离子电池的寿命可达1200次以上,远远高于其他各类电池;三种电池中容量最高;但价格较贵;对充电器要求较高,需专用充电器。目前绝大多数手机的标配电池都是锂电池。

    而对于锂电池,已经成为现在的主流的手机电池,但是现在锂电池也衍生了很多的技术与材质,依据锂离子电池所用电解材料不同,锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池)两大类,两者所用的正负极材料是相同的,工作原理也基本一致。

    主要区是在于电解质的不同,液态锂离子电池使用的是液体电解质,聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。

    其中聚合物锂离子电池又可分为三类:

    ●固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物,这种电池在常温下的离子电导率低,适于高温使用。

    ●凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂,从而提高离子电导率,使电池可在常温下使用。

    ●聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料,其能量是现有锂离子电池的3倍,是最新一代的锂离子电池。

    电池模块的形态变迁

    来到21世纪初期,随着锂离子电池材料科技的成熟以及制造工艺的进步,锂离子的能量密度得到大幅提升,整体成本也大幅下降,镍镉电池和镍氢电池彻底成为历史。

    在嵌入式电池时代,诞生了一项结构简单却异常实用的充电配件 —— 万能充,利用正负极触点可以为市面上99%的触点式锂离子电池进行充电,只要是体积和重量都不会太夸张的独立电池。

    2007年,苹果发布的iPhone除了拥有一块3.5的触控“大屏”,通过多点电容屏和全新设计的人机交互颠覆了消费者对手机的认知,也在电池上作了在那时看来离经叛道的“革新”:取消可更换电池设计,把电池内嵌到手机当中,同时也开启了祖传的5V1A充电。

    锂离子电池也从上个时代的背板一体化电池,开始转变为嵌入式可更换电池,基本被设计在手机背部,打开后盖才能更换电池,比上个时代的一体式后盖更稳定和安全,由于只需要电池本体,电池本身的体积也得以做得更加轻薄,电池的通用性更强。

    不可拆卸电池的设计进一步放飞了电池模块的布局,让手机可以做出更轻薄的的造型和各种独特形态(弧度、分体式等),电池不再是制约手机外观设计的瓶颈,而手机续航也在时隔多年后回归一天一充的水平。

    虽然省电优化和电池容量都在不断努力进行优化,但是随着我们对手机的依赖已经手机性能的不断提升,在锂离子电池的物理限制下,手机续航在短期内应该也不会有跨越式的发展。

    手机充电设备发展到现在,最核心的元件还是数据线和充电头,而无线充电受限于使用场景和额外设备成本,一直没有成为市场上的绝对主流,目前仍是高端机型的差异化功能。

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    受限于锂聚合物电池目前的物理极限,在容量短期内难有突破现在,在速度和充电形态上做文章显然是业界的发展方向,目前无线充电功率已经可以去到80W,这样无线充电开始摆脱充电慢的困扰,iPhone12上使用的Magsafe磁吸无线充电技术也让无线充电在形态上有了巨大的进步,未来更多手机厂商和外设厂商应该也会进行类似的尝试。下一个十年手机将会如何充电,就让我们拭目以待吧。



    关键词: 手机电池

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