谈谈智能设备的电池技术

锂电池技术的发展瓶颈

过去10年，以iPhone的诞生为始，带动整个智能手机行业飞速发展，屏幕尺寸，CPU处理能力，内存的容量都在急速提升。3G，4G和5G等无线宽带通信技术将全球带入了移动互联网的大发展时代。Facebook，Google，微信，QQ等IM彻底改变了人们的通信和沟通方式。直播，视频，游戏让人们的即时娱乐方式更加多样化。手机也由基础通信工具转变为了个人随身终端，逐步替代了PC在人们生活中的使用。

大量的应用和不间断的通信让智能手机对电池的需求迅速的提升，既推动了储能技术行业产生巨大的机会和革新的动力，同时也带来巨大的压力和挑战。遗憾的是，自1980年美国科学家古迪纳夫发现锂电池最佳的电极材料，1991年索尼推出第一款商用锂离子电池以外，三十多年以来，再也没有革命性的突破了。

智能设备逐渐走向小型化和轻薄化，对电池能量密度的要求却在持续的攀升，形成了最主要的矛盾。为获得最高的能量密度，位于元素周期表左上方的金属锂成为了当今二次电池（可多次充放电的电池）的第一选择，其极负的标准电极电位（-3.04V）意味着其与正极组成全电池后，电池具有高的电压输出；而锂金属是最轻的金属，这又意味着具有较高的克比容量。能量=比容量×电压，因此锂相关电池技术能量密度在现行电池中几乎是最高的。

此外，锂离子电池还拥有体积小的优点。因此其在90 年代的产业化后迅速推进了智能手机、相机、笔记本电脑和电动汽车等诸多领域的革命性发展。在锂电池的构成物质中，有磷酸铁、锰、石墨、钛酸盐等其他金属和非金属材料，但要靠着“锂离子”这个元素在正、负极中的嵌入与脱出，才可实现电能与化学能的相互转化，最终完成充放电过程。

1991年，索尼推出首个商用锂电池。由于锂离子是最轻的碱金属元素，拥有着更小、更轻、能量密度更高的特性，所以锂电池迅速取代了镍电池，沿用至今，已成为主流电子设备电池技术。

和智能设备的大发展相反，锂电池的技术近几十年发展的速度并不明显。由于正负极材料的电化学属性比容量（mAh/g）相对固定，追求更大的电池容量一般意义上就需要更大的体积。最大的瓶颈是电池正负极材料的创新非常复杂，停滞不前。锂电池发展到现在似乎遇到了一个“瓶颈期”，能量密度提升缓慢，成本下降并不迅速，而且在快充、适应温度范围、更大规模部署应用（电动汽车、储能）以及资源丰度方面都已经遇到了挑战。

正极材料方面，钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰锂等正极材料研究已趋于成熟。钴酸锂材料比容量有200-210mA·h/g，其材料真密度和极片压实密度均是现有正极材料中最高的，商用钴酸锂/石墨体系的充电电压可提升4.40V，已经可满足智能手机和平板电脑对高体积能量密度软包电池的需求。

负极材料方面，可用于动力电池的负极材料有石墨、硬/软碳以及合金材料，石墨是目前广泛应用负极材料，可逆容量已能达到360mA·h/g。无定形硬碳或软碳可满足电池在较高倍率和较低温度应用的需求，开始走向应用，但主要是与石墨混合应用。钛酸锂负极材料具有最优的倍率性能和循环性能，适用于大电流快充电池，但生产的电池比能量较低且成本较高。纳米硅在20世纪90年代即被提出可用于高容量负极，通过少量纳米硅掺杂来提升碳负极材料容量是目前研发的热点，添加少量纳米硅或硅氧化物的负极材料已开始进入小批量应用阶段，可逆容量达到450mA·h/g。但因锂嵌入硅后导致其体积膨胀，在实际使用时循环寿命会出现降低的问题有待进一步解决。

单体电池技术方面，至今锂离子电池的基本设计仍与SONY公司于1989年专利申请公布的相同，单体的形状有圆柱、方形金属壳（铝/钢）和方形软包散装，圆柱电池原来主要用于笔记本电脑，现在特斯拉等公司选用的18650圆柱电池用于电动汽车。方形电池一般容量较大，电芯通过卷饶、Z形叠片、卷绕+叠片、正极包膜叠片、叠片+卷绕等方式制作。圆柱型电芯技术最成熟，制造成本较低，但大型圆柱电池的散热能力较差，故一般选用小圆柱电池。

受限于锂电池在正负极材料的科学研究上进展缓慢，锂离子电池的发展遇到难以克服的瓶颈已经形成共识。

美国能源存储研究联合中心研究与开发副主任温克特·斯里尼瓦森说：“消费电子、汽车和电网存储是目前电池主要应用的三个行业。我把这三个行业称为人们与电池连接的三大领域。每个领域对电池都有不同的要求，因此所使用的电池也可能（有时）大不相同。在你口袋里的手机需要结实、安全的电池，重量和成本倒不用太考虑。而对于汽车电池行业而言，需要的电池很多，因此成本和重量以及循环使用寿命（如果新特斯拉每两年需要更换一次新电池，你会抓狂的）就变得十分重要。用于存储房屋和电网的电力的电池对重量或尺寸要求则不高。”

清华大学深圳研究生院的贺艳兵教授在“OFweek2015中国锂电技术产业研讨会”上曾表示：“目前锂离子动力电池发展有四大瓶颈：能量密度低、快速充电性能差、低温充放电性能差以及安全性差。”

《电源杂志》主编斯蒂法诺·帕瑟里尼指出，“电池的发展或进步比其他领域慢得多，这是电池本身的局限性，你不能指望有能给手机供电一周或一个月的电池。因为，存储在电池中的最大能量是由固有的元素决定。”

近些年来，研究人员努力提高锂电池的能量密度（电量体积容量比）、价值、安全性、环境影响以及试用寿命，并在设计全新类型的电池。但帕瑟里尼表示，传统锂电池技术已接近瓶颈，进一步优化的空间有限。现有的商用锂离子电池已经发展得很成熟了，只是被困在技术瓶颈内，电池的能量密度难有突破性的提升。

与此理论观点对应的是，科技感十足的特斯拉汽车所用的电池组，竟然是由7000节18650电池组成的。也就是说，和充电宝所用的电芯是一样的。

几十年来，也有很多研究团队宣称取得“重大进展”。

例如，2001年，A123 Systems公司声称用纳米颗粒改造电极材料，以大幅提高放电功率。十一年后，项目宣布失败。

2012年，美国Envia Systems公司在华盛顿重大会议上宣称，研发出能量密集型电池，能量密度是同时期的锂离子电池的两倍。这立即引来了通用汽车公司的投资，还得到了美国高级能源研究计划署（ARPA-E）的重视。然而几年时间过去，Envia systems公司迟迟无法兑现承诺，最后也失去了通用汽车公司的资助。

而近几年炒得很热的石墨烯电池，也是雷声大雨点小，久久无法走出实验室，推向商用。

快充技术的发展

曾有人戏言，化学工业投资就是将钱丢进下水道的投资，虽是一句玩笑，但是也客观反映了化学研究尤其是材料研究是一个需要经过无数次时间，周期以十年计的行业。从80年代初首次提出锂电池技术，到1989年由索尼首次商用，到现在，虽然锂电池的比容量，安全性，发热控制，组装工艺一直在进步，但是正负极的材料技术和30年前相比并无革命性进展。化学元素周期表上的元素就那么多，能用来做正负极材料的只有那几种。

所以,目前企业只能在充电效率上投入大量资源进行研发，以期望在电池容量不能出现革命性进展的情况下提升充电效率。无论是Google主导的PD(Power Delivery)还是高通主导的QC（Quick Charge）,抑或是国内以Oppo为代表的手机厂商自主研发的VOOC无不是在提升充电电压，减少电阻和线材发热，进行电池并联等方式上做文章。

那么快速充电技术原理是什么？

回归到一个初中物理课本可见的物理公式，P「电功率」＝U「电压」xI「电流」。目前提升充电功率的两个方法，要么提升电压，要么增加电流，要么电压、电流均提高。并且只有经认证的手机端和适配器才能实现高效的充电效果。

首先充电器把家用电的220V降压到5V输出到手机Micro USB接口，然后手机内部电路再降压到4.3V左右给电池充电。这里面一共有两个降压的过程。

◆高通：Quick Charge 2.0/3.0/4/0

高通Quick Charge 2.0是一套全面的电池管理技术，通过增加电流和电压的方式提升充电速度，它支持5V、9V和12V三种电压，最大充电电流可达3A。通过Micro USB连接器，高通Quick Charge 2.0 Class A提供最高达24W的功率，通过Type-C连接器可提供36W的功率。根据高通的实验室数据，QC2.0能在96分钟充满一颗3300mAh的电池。QC3.0在充电功率上没有提升，但是通过200mV一级的间隔，大幅减少了充电过程中的损耗和发热。4.0则向下兼容了PD协议，并没有继续在充电效率上进行提升。

◆MTK的Pump Express快充技术

MTK的Pump Express快充技术分为两种，一种带Plus一种不带Plus，带Plus的可以可提供24W(12V)甚至更高的输出功率，而不带Plus的则可提供10W(5V)的输出功率。

Pump Express Plus是联发科专有的快速充电技术，支持输出高达15W以上的大功率充电器，可将移动设备的典型充电时间最多缩短高达50%。Pump Express Plus的快充技术支持5V、7V和9V三种充电电压，充电电流均为1.67A。从理论上来说，Pump Express Plus快速充电技术可以在30分钟内给一块2060mAh的电池充满75%的电量。

◆TI MaxCharge

TI MaxCharge快充技术集成了5A单节锂离子电池充电器电路，在电流高达5A的时候支持高达14V的输入电压。向下兼容高通Quick Charge 2.0的9V、12V两档电压，对联发科Pump Express Plus的7V、9V、12V支持也不在话下。与现有电池充电器相比，这款器件将充电时间减少一半以上，最高可将充电时间减少60%。

◆OPPO VOOC

OPPO VOOC是一种低电压高电流的充电技术，相比传统充电速度提升4倍，在充电器和电池电路中都整合了MCU单片微型计算机来取代降压电路，并且MCU单片微型计算机能够自动检测充电设备是否支持快充。30分钟可以充到3000mAh电池的75%，目前只有OPPO自家产品才能使用该技术。

实际上OPPO VOOC 闪充技术就是采用低电压高电流模式，保证充电速度的同时也能减少手机充电时适配器与手机的发热情况。不过这项技术的兼容性相对比较狭窄，只有Find 7才能匹配使用。而且后续由于充电器也进行「瘦身」，适配器参数改为了5V 4A，相比市面上能达到24W的适配器优势已经不那么明显了。

不可否认的是，有了快充之后我们手机的充电效率的确有了很大的提升，3000mAh的大电池从零电量到充满仅需1小时左右的时间，比非快充手机的充电效率高出一倍多。所以从这个角度来讲，快充技术的出现无疑是一个福利。

但是大电压快充方案的在充电的过程中电压变化无疑会为手机带来更多的发热，这也是使用高通快充方案的手机厂商需解决的问题。不过好在兼容性较好，对于线材要求不高。除此之外，快充技术对于手机电池的寿命的确是有影响的。快充次数越多，电池的损耗就越大。根据估算，快充完全充放电700次左右，手机的最大电量就会下降到标准电量的80%。

快充技术虽然看起来很好，但是仔细分析之下缺点的确也不少。手机快充的出现更像是目前电池技术瓶颈无法突破的情况下，手机行业在权重之下所使用的暂行方案。既然手机因为体积和重量原因没有办法将电池继续做大，牺牲一部分电池寿命来获得更好的充电体验就目前的情况来说已经可以称得上是很好的解决方案了。

结语

锂电池技术发展缓慢，能量密度迟迟无法革命性提升，而消费电子领域百花齐放，发展迅猛。这一矛盾在可见的未来长期存在。即使快充技术快速发展，但受限于随身设备锂电池本身只能承受最大20w的充电功率，快充技术瓶颈也非常明显，即最大只能提升当前充电效率至2倍。

今天，各终端厂商为了自身利益各自发展自己的协议，使得快充迟迟难以普及，且伴有较高的成本。按照今天智能手机电池平均3000mAh的容量来看，即使最好的快充技术也需要1小时才能充满手机。用户依然需要充电宝类的产品来满足随时随地充电的需求