如今，我們的手機(jī)非常智能，與以前的智能機(jī)相比有了很大的變化，但是，從1991年索尼成功開(kāi)發(fā)出了商用鋰離子電池，到現(xiàn)在這24年時(shí)間里，手機(jī)任何一個(gè)零件都在進(jìn)步，但電池的續(xù)航時(shí)間卻一直停滯不前。

不只是手機(jī)，還有最新的電動(dòng)汽車(chē)，沒(méi)有了高效能的電池，它們都只是廢鐵一塊。相比其他科技領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)，電池技術(shù)的發(fā)展遇到了什么難題?

手機(jī)性能在提升

電池續(xù)航原地不動(dòng)

10年前，沒(méi)有人會(huì)因?yàn)槭謾C(jī)電池續(xù)航短而抱怨。的確，在以諾基亞、摩托羅拉主導(dǎo)的功能機(jī)時(shí)代，手機(jī)電池容量1000mAh以下，充一次電至少能用3天以上?，F(xiàn)在，手機(jī)電池動(dòng)輒3000mAh以上，卻一天一充都不夠。這個(gè)痛點(diǎn)的存在甚至帶火了充電寶這個(gè)下游行業(yè)。

這是因?yàn)樵谶@10年間，智能手機(jī)功能逐漸增多，硬件配置愈來(lái)愈高，用戶(hù)不僅要用手機(jī)打電話發(fā)短信，還要聽(tīng)音樂(lè)、看視頻、刷微博。與此同時(shí)，手機(jī)外形向大屏幕趨勢(shì)發(fā)展。5.0、5.5英寸的屏幕比比皆是，這是手機(jī)中第一耗電大戶(hù)。再加上智能手機(jī)的數(shù)據(jù)處理、高清視頻、WiFi、GPS等眾多功能，想省電很難。這使得手機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的耗電量加大。而且各種應(yīng)用層出不窮，也會(huì)在不同程度上增加耗電量。

在外觀上，手機(jī)越來(lái)越向輕和薄的趨勢(shì)發(fā)展，此前有廠商開(kāi)發(fā)出來(lái)了電池容量6000mah，續(xù)航出色的手機(jī)，厚度做到11.9mm，依然被認(rèn)為過(guò)厚，而在功能機(jī)時(shí)代厚度15mm的手機(jī)是常態(tài)。各大廠商也盡力壓縮和優(yōu)化手機(jī)空間，以適應(yīng)這一潮流。這就使得手機(jī)的各種零件都愈發(fā)微型化，電池也不例外。

應(yīng)該說(shuō)，手機(jī)鋰電池自1992年發(fā)展至今，相比初期必然是更加完善的，但這個(gè)速度顯然沒(méi)有跟上手機(jī)屏幕、分辨率、處理器的提升速度。目前，大部分的電池壽命提升來(lái)自于電池分布設(shè)計(jì)以及硬件功耗降低和軟件優(yōu)化。

為了解決手機(jī)電池的短板，上游的元器件廠商把可以用的招數(shù)都用上了，在硬件方面，除了增加電池的容量外，還加入了一系列降低手機(jī)功耗的新技術(shù)，比如三星研發(fā)的SuperAMOLED屏幕，盡管屏幕偏色和顆粒感的問(wèn)題嚴(yán)重，但卻非常省電。

電池誕生300余年

其原理依然摸不透

目前，我們用的絕大部分電池都來(lái)自于一個(gè)古老的模型——公元1800年的原電池。最近300年來(lái)，人們不斷尋找正極和負(fù)極材料，提升能量密度，無(wú)論是干電池、鎳鎘電池，還是流行的鋰電池，都是材料的升級(jí)。盡管電池工業(yè)已經(jīng)發(fā)展多年，但人們對(duì)電池的原理依然陌生。

電池容量提升最大的難題來(lái)自能量密度:在特定體積和重量的存儲(chǔ)單元內(nèi)可以存儲(chǔ)多少能源。1991年鋰電池首次推出，它已經(jīng)用在手機(jī)、汽車(chē)和其它可充電設(shè)備上，每千克大約可以存儲(chǔ)電能150和250瓦時(shí)(Wh/kg)。為了更好地理解，我們可以類(lèi)比一下，一臺(tái)冰箱每天消耗1600瓦時(shí)電能，汽油存儲(chǔ)的能量大約為每千克13000瓦時(shí)——比最好的鋰電池多了50倍。

就一般手機(jī)廠商的電池而言，能量密度大都在560-580Wh/L左右，更好一點(diǎn)的電池能量密度也只有620-630Wh/L。那電池的能量密度為何不能大幅度提升呢?原因在于，當(dāng)研發(fā)人員試圖改變電池的某一部分時(shí)，是無(wú)法預(yù)測(cè)它所帶來(lái)的影響的。

因此，和手機(jī)其他硬件相比，電池系統(tǒng)根本不適用摩爾定律，現(xiàn)在用的電池和上世紀(jì)1990年代的差得并不太多。如果你打開(kāi)iPhone就會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有主板電路越來(lái)越小，電池卻占了一大半。這種尷尬估計(jì)還要持續(xù)很多年。

鋰電改進(jìn)空間

仍很大

不過(guò)也不要盲目悲觀，在這二十年中，鋰電池技術(shù)并不是完全停滯不前，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)拓展，鋰電池技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。過(guò)去10年，手機(jī)電池的能量密度已經(jīng)提升了一倍。過(guò)去碩大的電池只有1200mah，而如今3000mah的電池也大不了多少。在充電效率、電池容量、發(fā)熱冷卻等方面，傳統(tǒng)的鋰電池也已經(jīng)表現(xiàn)得越來(lái)越好。

2005年，采用聚合物電解質(zhì)的鋰離子電池開(kāi)始逐步取代之前的液態(tài)鋰離子電池，鋰離子電池迎來(lái)能量密度上的一次大提升。但到了2008年前后，鋰離子電池能量密度的提升速度開(kāi)始減緩，隨著電池安全問(wèn)題引起廠家的重視，電池生產(chǎn)商開(kāi)始不斷提高電池的安全性指標(biāo)，將鋰離子電池的外殼不斷加厚，這使得在隨后三四年間，手機(jī)電池的能量密度一直保持平穩(wěn)。到2013年以后，電池生產(chǎn)商通過(guò)不斷改善工藝，提高了電池材料的壓實(shí)密度，鋰離子電池的能量密度又有一次提升。

沒(méi)有重大理論突破

電池難“革命”

那么，電池技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生革命性的變化嗎?從理論背景來(lái)看，支持電池發(fā)展的分子物理和化學(xué)分支，二戰(zhàn)以后沒(méi)有重大理論突破。經(jīng)歷了鉛酸到鎳鎘、從鎳鎘到鎳氫、從鎳氫到現(xiàn)在的鋰離子的可充放電池發(fā)展歷程，這期間電池結(jié)構(gòu)沒(méi)有什么變化，可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)暫時(shí)還不會(huì)有。

盡管研究新一代電池技術(shù)的科學(xué)家經(jīng)常會(huì)放棄鋰離子電池，聲稱(chēng)現(xiàn)行的鋰離子電池技術(shù)成本太高、易燃，而且在滿足未來(lái)清潔能源需求以及綠色出行方面短板太明顯。但美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一個(gè)為期五年的電池研發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)過(guò)去了四年時(shí)間，負(fù)責(zé)研發(fā)的工程師卻不得不承認(rèn):在短期內(nèi)，電池市場(chǎng)上鋰離子的地位還難以被撼動(dòng)。

電池的發(fā)展競(jìng)賽還在繼續(xù):電動(dòng)汽車(chē)制造商正在尋找更便宜、更輕、更強(qiáng)大而且更持久的電池。電子設(shè)備制造商也在尋找更可靠、使用壽命更長(zhǎng)而且充電更快的電池。而可穿戴和醫(yī)療植入式設(shè)備的廠商則更傾向于更小巧、更長(zhǎng)續(xù)航的電池技術(shù)。而可再生能源企業(yè)也在尋找能夠穩(wěn)定充放電成千上萬(wàn)次的電池技術(shù)。

石墨烯、氫燃料

誰(shuí)是電池的未來(lái)

在已有的新電池技術(shù)中間，石墨烯電池最被看好。石墨烯是已知的世界上最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，具有電阻率極低，電子遷移速度極快的特點(diǎn)。石墨烯電池，就是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性開(kāi)發(fā)出的一種新型電池。

石墨烯電池的充電速度也要比鋰電池快很多，可以有效解決充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。它的壽命也很長(zhǎng)，可以達(dá)到鋰電池的2倍。

也有企業(yè)在動(dòng)力電池領(lǐng)域另辟蹊徑。日本豐田汽車(chē)公司研制出的新型汽車(chē)MIRAI在測(cè)試中跑得遠(yuǎn)、充得快，它配備了新型燃料電池。這種電池以氫為燃料，加滿一罐氫只需3分鐘，續(xù)航里程可達(dá)650公里。由于氫的制備和加氫站建設(shè)難度大、成本高等問(wèn)題，這一技術(shù)尚未普及。

有朝一日，電池技術(shù)一旦突破，所有的手持?jǐn)?shù)碼設(shè)備、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)以及其他工業(yè)產(chǎn)品，都會(huì)有一次質(zhì)的飛躍。比如，未來(lái)的家庭供電都可以通過(guò)電池來(lái)實(shí)現(xiàn)；也許下一代的電池技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地儲(chǔ)存可再生的風(fēng)能和太陽(yáng)能，這將對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行與控制的格局帶來(lái)顛覆性的變革。除此之外，未來(lái)的私家交通工具甚至個(gè)人出行工具、下一代可穿戴電子產(chǎn)品以及未來(lái)的微型電網(wǎng)大規(guī)模普及，都顯著地依賴(lài)更先進(jìn)更低成本的電池技術(shù)。因此，不論挫折有多大，電池技術(shù)都迫切需要一場(chǎng)偉大的變革。

但是，先進(jìn)電池技術(shù)變革帶來(lái)的挑戰(zhàn)實(shí)在是太大了?？梢灶A(yù)見(jiàn)，電池技術(shù)的大突破必將是一場(chǎng)艱苦持久的馬拉松。