從萬能充到嵌入式，一起看看手機電池的“進化之路”

鎳鎘電池到鎳氫電池再到鋰離子電池，手機電池的發(fā)展一直都在向著更加環(huán)保、續(xù)航能力更強的路線前進著。從萬能充到嵌入式，大家一起看看手機電池的“進化之路”吧。

手機電池按制造材質(zhì)分：電池的種類分為鎳鎘、鎳氫、鋰離子三種電池。

鎳鎘電池

鎳鎘電池是最早應用于手機、筆記本電腦等設備的電池種類，它具有良好的大電流放電特性、耐過充放電能力強、維護簡單。鎳鎘電池是由兩個極板組成，一個是用鎳做的，另一個是鎘做的，正極為鎳，負極為鎘，這兩種金屬在電池中發(fā)生可逆反應，因此電池可以重新充電。

因為有鎘的原因，有記憶效應，每次充電都須先放電，需先放完電才能充電，否則它的記憶功能將大大降低手機的充電量，只有將電池中的余電放凈后再進行充電才能保持電池的充電量。

鎳鎘電池最致命的缺點是，在充放電過程中如果處理不當會使得服務壽命大大縮短。通常鎳鎘電池的充電次數(shù)為300～800次，在充放電達500次后電容量會下降至約80%。

1983年，摩托羅拉推出了第一款真正投入商用量產(chǎn)的手機DynaTAC 8000X，重量高達907g，由于巨大的體積也被稱為“大哥大”。其中由六節(jié)可充電鎳鎘電池組成的7.8V（6*1.3）電池組基本占了其中六分之一（約25*6）的重量。采用可拆卸設計，只能使用專門的充電底座進行充電，以后很長一段時間內(nèi)手機電池都是使用底座進行充電，沒電就直接更換電池的日常習慣。

時間來到90年代，隨著以GSM為主的2G標準建立，移動通信技術和手機內(nèi)部元件集成度都更加成熟，傳統(tǒng)的“大哥大”造型開始往小型化發(fā)展，電池模塊為了適應手機整體外觀的發(fā)展，開始出現(xiàn)多種解決方案來解決傳統(tǒng)的串聯(lián)鎳鎘電池組體積過大的問題。

此外，鎘是有毒的，因而鎳鎘電池不利于生態(tài)環(huán)境的保護。眾多的缺點使得鎳鎘電池已基本被淘汰出數(shù)碼設備電池的應用范圍。

鎳氫電池早在上世紀70年代就開始在民用領域的探索，而在1900年開始被商用之初，就被認為是鎳鎘電池的接班人，這種電池的生產(chǎn)成本跟鎳鎘電池相若，能量密度約是同體積鎳鎘電池的1.5倍，而且記憶效應也被大幅降低，讓它可以實現(xiàn)更小的體積和更頻繁的充電，也可以支持更高功率的充電，充電速度和續(xù)航能力都得到了大幅提升。

鎳氫電池

鎳氫電池和鎳鎘電池外形上相似，而且鎳氫電池的正極與鎳鎘電池也基本相同，都是以氫氧化鎳為正極，主要區(qū)別在于鎳鎘電池負極板采用的是鎘活性物質(zhì)，而鎳氫電池是以高能貯氫合金為負極，因此鎳氫電池具有更大的能量。同時鎳氫電池在電化學特性方面與鎳鎘電池亦基本相似，故鎳氫電池在使用時可完全替代鎳鎘電池，而不需要對設備進行任何改造。

不過鎳氫電池存在自動放電過快和電量衰減等問題，在手機上應用并不完全適用，早期主要通過較低的成本獲得一定市場，在鋰電池價格和技術都穩(wěn)定下來后，就鮮有在手機產(chǎn)品上應用了。

鋰離子電池是目前手機上使用最主要的電池類型，商用時間略晚于前面提到的鎳氫電池，在1992年由索尼率先投入量產(chǎn)，不過當時受限當時并不突出的容量優(yōu)勢以及高昂的售價，諸如形狀可控、穩(wěn)定性高、充電效率高和理論能量密度高等優(yōu)勢通通沒法顯示出來。

鋰離子電池

鋰離子電池是一種智能電池，它可以與專用原裝智能充電器配合，達到最短的充電時間、最大的壽命周期及最大的容量。鋰離子電池是目前性能最好的電池。與同樣大小的鎳鎘電池、鎳氫電池相比，電量儲備最大，重量最輕、壽命最長、充電時間最短，無記憶效應，環(huán)保無污染。

鋰離子電池因采用特殊的技術處理，因此允許在2小時內(nèi)快速充足電，而且安全性能大大提高；允許工作溫度范圍寬，鋰離子電池可在-20℃～+60℃之間工作。高溫放電性能優(yōu)于其它各類電池。不過安全是鋰電池的一個問題，所有鋰電池都必須通過集成電路進行控制，如果電路不存在，鋰電池可能會發(fā)生熱失控。

單體鋰離子電池的電壓為3.6V，正極使用鋰化合物，負極為碳，鋰離子電池的比能量可達鎳鎘電池的2倍以上。與同容量鎳氫電池相比，體積可減少30％，重量可降低50％；壽命長，優(yōu)質(zhì)鋰離子電池的壽命可達1200次以上，遠遠高于其他各類電池；三種電池中容量最高；但價格較貴；對充電器要求較高，需專用充電器。目前絕大多數(shù)手機的標配電池都是鋰電池。

而對于鋰電池，已經(jīng)成為現(xiàn)在的主流的手機電池，但是現(xiàn)在鋰電池也衍生了很多的技術與材質(zhì)，依據(jù)鋰離子電池所用電解材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池）兩大類，兩者所用的正負極材料是相同的，工作原理也基本一致。

主要區(qū)是在于電解質(zhì)的不同，液態(tài)鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。

其中聚合物鋰離子電池又可分為三類：

●固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導率低，適于高溫使用。

●凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導率，使電池可在常溫下使用。

●聚合物正極材料的鋰離子電池。采用導電聚合物作為正極材料，其能量是現(xiàn)有鋰離子電池的3倍，是最新一代的鋰離子電池。

來到21世紀初期，隨著鋰離子電池材料科技的成熟以及制造工藝的進步，鋰離子的能量密度得到大幅提升，整體成本也大幅下降，鎳鎘電池和鎳氫電池徹底成為歷史。

在嵌入式電池時代，誕生了一項結構簡單卻異常實用的充電配件 —— 萬能充，利用正負極觸點可以為市面上99%的觸點式鋰離子電池進行充電，只要是體積和重量都不會太夸張的獨立電池。

2007年，蘋果發(fā)布的iPhone除了擁有一塊3.5的觸控“大屏”，通過多點電容屏和全新設計的人機交互顛覆了消費者對手機的認知，也在電池上作了在那時看來離經(jīng)叛道的“革新”：取消可更換電池設計，把電池內(nèi)嵌到手機當中，同時也開啟了祖?zhèn)鞯?V1A充電。

鋰離子電池也從上個時代的背板一體化電池，開始轉變?yōu)榍度胧娇筛鼡Q電池，基本被設計在手機背部，打開后蓋才能更換電池，比上個時代的一體式后蓋更穩(wěn)定和安全，由于只需要電池本體，電池本身的體積也得以做得更加輕薄，電池的通用性更強。

不可拆卸電池的設計進一步放飛了電池模塊的布局，讓手機可以做出更輕薄的的造型和各種獨特形態(tài)（弧度、分體式等），電池不再是制約手機外觀設計的瓶頸，而手機續(xù)航也在時隔多年后回歸一天一充的水平。

雖然省電優(yōu)化和電池容量都在不斷努力進行優(yōu)化，但是隨著我們對手機的依賴已經(jīng)手機性能的不斷提升，在鋰離子電池的物理限制下，手機續(xù)航在短期內(nèi)應該也不會有跨越式的發(fā)展。

手機充電設備發(fā)展到現(xiàn)在，最核心的元件還是數(shù)據(jù)線和充電頭，而無線充電受限于使用場景和額外設備成本，一直沒有成為市場上的絕對主流，目前仍是高端機型的差異化功能。

受限于鋰聚合物電池目前的物理極限，在容量短期內(nèi)難有突破現(xiàn)在，在速度和充電形態(tài)上做文章顯然是業(yè)界的發(fā)展方向，目前無線充電功率已經(jīng)可以去到80W，這樣無線充電開始擺脫充電慢的困擾，iPhone12上使用的Magsafe磁吸無線充電技術也讓無線充電在形態(tài)上有了巨大的進步，未來更多手機廠商和外設廠商應該也會進行類似的嘗試。下一個十年手機將會如何充電，就讓我們拭目以待吧。