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挥之不去的手机电量焦虑,能破么?

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作者:张雨晨
来源:中国国家地理BOOK


如果你买了iPhone 12,收到货的第一感觉,基本上都是一个字:轻!

对于手机来说,重量的大小主要取决于两个模块:一个是镜头,一个是电池,iPhone 12的设计师几乎是冒天下之大不韪,把标配版的电池容量降到了2775mAh,而mini版的更是只有2227mAh。

新款的iPhone 12手机

再看看其它品牌手机,电池容量基本上没有4000mAh以下的,这意味着它们用起来更持久(当然IPhone的新芯片也在节电方面做足了功夫),但iPhone轻了,自然手感也好,不同品牌的设计理念,各有千秋吧。

手机,从最初的大哥大,到现在的智能机,电池容量的变化已经不是攀升了,而是飞跃,但我们对电池的焦虑,却一点都没减轻,我们日益先进的电池,为什么就无法满足人民不断增长的续航需求呢?

一、手机发展史,也是一部电池焦虑史

1973年,美国摩托罗拉工程师马丁·库帕发明了世界上第一部真正的手机,不过,使用这部手机,与其是说在打电话,不如说是在举铁,因为它足足有2千克重。

马丁·库帕,和“谢耳朵”一个姓,此照片拍摄于2007年。图/Wikipedia

库帕这款手机的重量和它之前那些所谓的“手机”比起来,还是轻了很多,要知道,瑞典埃里克森公司在上世纪50年代的“手机”,光电池就有近40千克,这已经不是用手就能使用的了。

托马斯·爱迪生在1901年申请了镍铁电池的专利,这种电池没有被用于手机,而是常被用于铁路和矿井电源。图/Wikipedia

10年后,摩托罗拉的DynaTAC 8000x,也就是我们所熟知的“大哥大”诞生了。作为人类第一款商用手机,它的重量也不轻,差不多有0.9千克,这相当于你同时拿起5个半IPhone 12标配版。

在“大哥大”那巨大的身材里,有一半都是电池,但它的电池容量只有500mAh,而且需要10小时才能充满,充满后却只能打30分钟电话,真正做到了“充电2小时,通话5分钟”。

手机的发明者库帕拿着一个“大哥大”,在一次会议上摆拍。图/Wikipedia

“大哥大”使用的电池是镍镉电池,这种电池在上世纪80年代已经非常先进了。镍镉电池顾名思义,阴阳两极一头是镍(正极,2NiOOH),一头是镉(负极,Cd),电池溶液是氢氧化钠(NaOH),电池放电时,负极的镉与两个OH-反应放出2个电子,在正极形成2个新的OH-,以保证电池溶液浓度不变。

镍镉电池工作原理。制图/张雨晨

和第一代可充放电的铅蓄电池(未曾用于手机)比,镍镉电池体积小,电流大,而且反复充放个500次都没问题,当然,它也有许多缺点,比如电池容易发热,镉元素有毒,不好回收等等,但这些问题都没有记忆效应严重。

所谓记忆效应,就是电池在电量没有全部用光的时候就充电的话,容量会变小。比如你经常在还剩50%电的时候开始充电,久而久之电池就会“认为”电池的最低电量就是50%。

几种镍镉电池。图/Wikipedia

对于只能支持半个小时通话的大哥大来说,记忆效应是致命的,致命到你甚至想扔掉这款价值上万美元的手机。记忆效应的阴影甚至影响到了现在,很多人在使用今天的锂电池时,还会不自主地认为:电放干净再充对手机才好(其实恰恰相反)。

1989年,新一代镍氢电池的商用化才缓解了记忆效应带来的电量尴尬。镍氢电池无毒,虽然有记忆效应但很容易恢复,而且它容量量更大:1997年推出的搭载镍氢电池的摩托罗拉166C,电池容量已经达到了1300mAh。

镍氢电池,但这不是手机用的镍氢电池。图/Wikipedia

但是,镍氢电池也有自己的问题,它发热量大,不用的时候漏电很厉害——即使关机了,也不能阻止电池把电耗光。因此,镍氢电池随着手机之光——锂电池的逐渐商用,也被取而代之了。

二、手机之光——锂电池

1991年,锂离子电池,也就是我们常说的锂电池首次进入商用领域,手机终于获得了持久而稳定的续航。可以说,如果没有锂电池的加持,就没有今天功能强劲的手机和五花八门的APP。

炫酷的手机游戏都是耗电大户

锂电池和镍镉电池、镍氢电池不一样,后两者在充放电的时候,都是电子和OH-来回跑,镍和其它金属是不动的,锂电池则是锂离子和电子来回跑

就拿我们现在常用的锂电池来说,它的负极一般是片层结构的石墨,锂原子就“夹”在这些片层之中,而正极,则可以是各种类型的锂合金金属氧化物,它呈网格状,锂原子同样也能藏在里面。这种结构的电池的充放电过程,实际就是锂原子逃离“牢笼”,通过电池中间的隔膜、电子通过导线来回跑而已。


锂电池工作原理,此处的晶格结构仅为示意,不同的物质晶格结构有所不同。制图/张雨晨

相比于另外两种电池,锂电池容量大,没有记忆效应,发热也少,除了造价贵之外,几乎没有什么缺点。80后记忆里的那几款超长续航的诺基亚小板儿机,比如待机时间可接近2周的5110,其背后都是锂电池的功劳。


砸不烂,用不坏,长续航的诺基亚5110。图/Wikipedia


5110使用的锂电池。图/Wikipedia

今天的锂电池,和5110用的锂电池相比,容量已经提升了数倍,但这种提升速度却依然跟不上时代的步伐。

如今的智能手机,性能先进,都已经快成相机+电脑的结合体了,各种大型软件、即时通信软件都会大量耗电,大屏、120Hz高清屏也会增加耗电,反观我们自己,用手机的时间也是越来越长。


对于许多人来说,手机已经代替了相机

锂电池就不能再发展发展,更加澎湃、持久么?恐怕很难!

想提升锂电池的性能,无非就是提高锂原子的占比而已,现在锂离子电池中的锂原子占比仅不到1%,看似还有大把的提升空间,但提升后的安全性却无法得到保障,具体的例子这里就不展开了。

至于安全为何无法保障,还是材料学的问题。锂电池现有的正负极材料,比如锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元锂等,容纳锂原子的效率并不是那么高,锂原子的浓度高了,通过隔膜后容易在正极表面堆积形成结晶,最终刺破隔膜导致短路,引发火灾。


过充、过放,都容易导致锂电池正负极晶格体系的破坏,从而导致鼓包。图/Wikipedia

所以,在找到更合适的正负极材料之前,我们只能通过改良隔膜和电解液的方式变相提高锂离子电池的能量密度。像特斯拉的Model S装载的7000多块松下18650锂电池,能量密度就略高于其它竞争对手,所以这车虽然不轻,但续航里程也能达到500千米以上。

小贴士:锂电池该如何充电?

锂电池没有记忆效应,但害怕过度放电和充电。过度的放电和充电,会让部分锂原子被死死地“压进”正负极中无法逃脱,导致电池容量减小。所以,锂电池一般可以在还剩20%电量的时候充电,充到90%的时候结束充电。

不过,现在手机的锂电池中都有保护电路,会在过度充电时切断电路,尽管如此,还是尽量避免充电过夜。

另外,在充电期间玩手机游戏,也会导致电池温度提升,寿命缩短。

三、我们的电量焦虑,什么时候才能解决?

能从根本上解决电量焦虑的方法,还是改进电池。

科学家们至今还没有放弃锂电池,硅和锂金属都被认为是可以作为正负极的潜在材料,几年前,新加坡南洋理工大学的科学家曾尝试用二氧化钛凝胶代替石墨,但这种改进只是让充电变得更快,电容量却不见增加。

以硫为阳极的锂硫电池是在短期内最有可能成功的技术之一,只不过,锂硫电池在连续充电后电解液迅速降解的问题很难解决。


锂电池的革新,不仅关乎到手机电量,还决定了电动汽车是否可以真正取代燃油车,图中为尼桑电动车底盘上的电池块。图/Wikipedia

除此之外,人们还尝试使用固态物质代替锂电池里的电解液,这样就没有刺破短路的风险了。但固态物质与阴阳两极的接触可没法做到液态物质那么紧密,电导率也难以提升。

在锂电池之外,燃料电池也为电池的未来提供了一种新的可能性,比如氢能源汽车如今已经在日本上市了,但这种电池能否用在手机上,还是个未知数(听说苹果就在研发氢能源手机)。


丰田汽车公司在2015年推出的氢能源汽车。图/Wikipedia


中国企业研发的氢能源自行车。图/Wikipedia

在电池技术尚未突破的时候,我们还能用快充来解决焦虑,比如OPPO著名的广告词:“充电5分钟,通话2小时。”那时,OPPO的快充功率只有20W,现在华为手机的充电器已经高达40W了。

在现有的电池保护技术条件下,快速充电对锂电池的损伤基本上可以忽略不计,甚至很多时候,手机电池还没退役,你就已经考虑在为新型号的手机剁手了!


充电宝也是一种选择,不过这已经不关电池的事情了。图/图虫·创意

当然,还有一种最为简单、也最为环保的解决电量焦虑的方法,那就是在点击“在看”后,放下你的手机,让眼睛好好休息一下吧~

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