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标题: 手机电池的发展遇到了什么瓶颈？现在出现了比较靠谱的新技术吗？ [打印本页]

作者: hoei 时间: 2017-12-19 10:49
把我一篇文章中的内容搬过来吧，可以回答第一个问题。

手机电池的发展遇到了什么瓶颈？
要回答这个问题，首先要知道手机电池到底要发展什么，或者用户的诉求是什么？无非就是这两个方面：一个是电池容量大小，还有一个就是充电速度。

先来说说电池容量，大部分用户为了续航会追求更大的电池容量，那么电池容量的大小是由什么因素来决定的？电池容量x电池电压=电池能量密度x电池体积。电池体积又受到这几个方面的影响，一个是整机的大小，一个是机身的厚度，还有一个就是一些细节设计，比如 OnePlus 3T 的设计规范是为了电池安全，电池不能离手机外框轮廓太近，以免手机跌落时损坏电池，这样电池体积就有可能缩水。所以决定电池容量大小的因素就是电池能量密度+电池体积。

这样看起来是不是很简单？我们只要单纯地提升电池能量密度或者把机身做厚、电池体积增大就可以提升电池容量了，那为什么现在很难做到呢？

这个又要从三方面说起，一个是“安全”，一个是“材料”，还有一个是“平衡”。

先来说提升电池能量密度的风险，为了保证电池的容量足够大，电池能量密度肯定是越大越好，但是任何事情都是物极必反的，电池能量密度增加也有可能带来风险。
电池能量密度增加的风险主要有这几个方面，一个是手机从结构上来说是一个很理想的爆炸体，另一个是提升能量密度过程中的工艺更改带来的不确定性。学理科的同学都知道爆炸的原因就是能量聚集在一个密闭的空间内扩散不出去，所以手机是一个很典型的“爆炸体”，尤其是金属手机。现在很多手机都做了防水，内部会更加密闭，所以手机内部如果有什么剧烈的化学反应的话，非常容易爆炸。爆炸的威力就跟电池的容量有关，所以电池能量密度越高的话，在手机这个小空间内，爆炸的威力就越大；还有一些问题不是电池能量密度本身的，而是厂商为了追求电池能量密度，会适当地更改电池的制作工艺，这些更改可能引进一些安全问题。举个例子：电芯内部有一层隔膜用来隔离电芯的正负极，一旦隔膜戳破就会导致正负极材料短路产生剧烈的化学反应，从而引起起火爆炸。但是，隔膜对电芯的容量是没有贡献的。所以，为了提高电池容量，需要将隔膜减薄，这个必然会在一定程度上提高电池发生危险的可能性。所以，对于一种新工艺电池，没有经过市场大规模验证，我们不认为它是一个成熟可靠的产品，哪怕厂家多有信心，实验室数据多完美。
那么“材料”和“平衡”呢？
这是一个行业性的问题，电池的能量密度提升遇到了很大的困难，除非换掉电池的材料，我们现在所使用的锂电池的能量密度基本短期内已经很难有重大发展了。
平衡的话要从好几个方面说起，一个是充电速度，现在我们 3400mAh 的电池采用了 4A 的适配器充电，这已经很高了，再往上提高充电电流的话，电池就会发热，但是现在手机机身发热也是一个很严重的问题。如果想降低电池的发热，又得降低电池的内阻，但是降低内阻就需要加宽或加厚导体，这就会导致电池能量密度也降低了，这就成了一个矛盾体。那如果增大电池体积呢？这样的话机身厚度、大小又有可能增加很多，对于现在追求“手感”“纤薄”的用户来说，似乎也是行不通的。
所以电池发展遇到的瓶颈不是说某一方面做不到，而是要同时兼顾到这几个因素：电池能量密度、充电速度、安全性、体积，这几个是一个平衡体。强制去提高某一项肯定可以做到，比如说单纯只提升电池能量密度，但是提高了就会下降另外一项，不可能所有都追求完美，只能取一个平衡点，这就是困难之处。

第二个问题缺少具体的了解，所以就不回答了。
以上言论是个人观点，如果有异议欢迎交流讨论~

作者: joy3118 时间: 2017-12-19 10:49
看了很多知友的回答，都很精彩。
这里说一个个人的观点，供大家参考。
我认为与其说在电池技术上取得突破，还不如寄希望于无线充电技术的突破。如果哪天无线充电就像今天的wifi一样普及，那么对电池续航的要求也就没那么高了，在有信号的地方保持浮充状态就行。
个人观点，不喜勿喷，谢谢。

作者: 47971655 时间: 2017-12-19 10:49
跟自己的专业相关，也答一个吧。
其实这题基本上是有标准答案的，深度懒惰者看这里：
电池技术为什么如此高深莫测，以至于一直是手机等相关行业的短板？ - 哥淡定的回答 - 知乎
究竟是什么限制了电池的容量？ - 陈远威的回答 - 知乎
但是因为最近量产了比较火热的新闻，我觉得有些问题该澄清的还是要澄清。
可能在各位读者看来，这只不过生活中再常见不过的东西了：

商业化的锂离子电池原理也很简单，人尽皆知：锂离子在正负极之间来回穿梭，简称“摇椅”电池。
但是答主却花费了大量时间来研究这个东西（的一部分），甚至电化学这整一门学科也一直贯穿在锂离子电池这个领域，难以自拔。究其原因：系统太过复杂。
但就跨越的学科而言，这个领域至少囊括了以下维度：
1.材料化学
2.固体物理（含结构化学）
3.电化学
4.化工原理
然而因为现在生活方式对于掌上设备是这样的依赖、软件功能发展是这样的迅速、互联网上的生活是这样的精彩，人们才意识到，花擦，怎么老是要充电？这傻逼扁片怎么这么难伺候？
锂离子电池的能量密度成为了你掌上生活挥之不去的附骨之蛆，a real pain in the ass······
然而，任何事物发展都是有（大量的）时间积累，电池也赫然在列。
熟悉科学史的朋友都知道，在1940年以前，锌锰类（Zn/MnO2）的一次电池牢牢占据着电子消费类产品的市场，直到60年代那会，碱性锌锰电池（Zn/KOH/MnO2）还是消费类的大当家，不过质量能量密度已经可以从40Wh/kg提升到100Wh/kg了，当然，即便是现在，碱性锌锰电池这种一次电池因为自身的低成本，还是能在很多地方得到发挥。然后就是一次的锂/二氧化锰电池（Li/MnO2等等）和锌空气电池（Zn-Air）在70年代的悄然冒头（其实人家也是在实验室内不断成熟完善），直接把质量比能量翻了一倍，提升到了250Wh/kg的水平。再来到80年代，一次的锂/二氧化硫（Li/SO2）和锂亚硫酰氯（Li/SOCl2）电池在特殊领域被开发出来，而电池的质量比能量直达380Wh/kg。而事实上，干性聚合物电解质锂电池在80年代业已萌芽，它们的质量能量密度范围大致在220~280Wh/kg内，只不过这个分支一直处在研发阶段而且被视作二次电池，各种缘由就按下不表了。看下图：

截图来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries
回过头来，可充电的铅酸电池已经经历了商业化的100多个年头，而其质量能量密度也只是从最初的25Wh/kg渐渐的爬到先今的55Wh/kg，但是因为它具有较高的可靠性、低成本、适中的功率密度、可接受的循环性能等等优势，铅酸电池现在依旧是许多电动设备启动点火程序以及各种备用电池的主要选择。镍镉电池在镍氢电池和锂离子电池主导的90年代以前，一直是许多小型便携式电子设备的主要能源提供者，当然了，因为自身对环境所造成的冲击也导致其后续的市场份额大幅下滑。在80年代的早期，一种可充电式的钠硫电池被开发出来，在300°C的温度下，它能发挥出100~150Wh/kg的质量能量密度。如今，钠硫电池也是为负载调衡所用的大型固定电池的多种选择之一。镍氢电池带着50~80Wh/kg的能量密度轻轻地出现在1989年的市场上，几乎两年之后，它就见到了从索尼公司商业化的锂离子电池，电池的质量能量密度也稳中有升地从90Wh/kg涨到210Wh/kg。
从1950年到2010年这60年间，对于商业化的二次电池，它们的质量能量密度平均是每年增长3Wh/kg，如下图所示：

截图来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries
按照这个增长率，从现有的210Wh/kg（2010年）要达到New Energy and Industrial Technology
Development Organization（新能源及产业技术开发机构，以下简称NEDO）的500Wh/kg和700Wh/kg这两个目视可及的质量能量密度指标，分别需要再过100年和167年，也就是2110年和2177年。更加现实的说，在1990年到2010年这20年间的电储能系统的质量能量密度增长率因为锂离子电池的被发明和改进而被加速至年均5.5Wh/kg的速度，在上图中的实线段中显示。即便是根据这个速度，要达到NEDO的500Wh/kg和700Wh/kg这两个目标也分别要等到2064年和2100年。
在上面两张图内，大家也看到了，电池体系的能量密度以20~30年的区间段为一个稳定增长期，直到下一个新技术出现期为止。
纵观电池发展的历史，电池能量密度的提升往往是突变型的，采用新型的电池材料体系和结构设计，是可以大幅提高电池的能量密度，然而即便如此，从实验室的创新到产业的研发、开发再到商业化，路途漫漫，因为这中间容不得半点造假和糊弄！
就拿纳米材料来说，确实具备很多的有点，也可以在很多方面提升电池的性能（倍率性能、循环性能等等），然则其界面过大而产生的多重副反应以及其高昂的合成成本必须是企业考量产业化的两个重要指标。
再多说两句，最近一段时间以来，由于电池的重要性提高，新能源的口号响亮，持续有电池能量密度或者超级快充的大新闻出现，很多读者需要有一定的辨别力来去伪存真。
我先为大家提供知乎上四条非常好的“正三观”答案：
如何解读新闻「中国科学家研制出石墨烯超强电池：充电 7 秒续航 35 公里」？
「世界首款石墨烯基锂离子技术产品于 7 月 8 日在北京钓鱼台发布问世」对电池行业有多大的影响？
石墨烯，尤其是石墨烯电池的未来前景如何？ - 弗雷刘的回答 - 知乎
如何看待近日《自然》刊登戴宏杰教授在铝电池上的工作？ - 哥淡定的回答 - 知乎
再者，电池体系是由电池材料上进行的主要反应（电子转移反应）综合而成，这也意味着每一种正负极材料的组合都具有一定的理论能量密度的上限，然而，因为实际体系中存在的大量的电化学复杂问题，最后的实际能量密度可能会对折甚至更低，大家不妨看看，几大类电池中，锂离子电池最常用的钴酸锂（LiCoO2）体系的能量密度实际/理论比是最高的，为58%：

截图来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries
由于氟不便于利用，所以没有必要去做锂氟电池，上表中也没有数据，锂空气电池没有数据的问题放到下面再说。
先今的很多方法实际上是对成品中活性物质质量的增加以及电池电极成分比例的改进，以提高体系的质量能量密度，但这种方法也逐渐接近极限（再改的话连着设备和结构也得改），这几年的能量密度增长有减缓的趋势。
来看这个反应：

你可以知道这个反应的吉布斯自由能：

根据能斯特方程的变形，我们可以得到电动势与吉布斯自由能的关系：

除以两个反应物的摩尔质量按照化学计量比的加和可以得到质量比能量：

根据法拉第定律，你还可以得到这个体系的理论比容量：

大家翻翻物理化学下册附录中的电极反应标准电动势，转移电子的数目，可以得到李泓老师他们计算得到的以下体系的理论能量密度：

截图来自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries
把它们可视化以后，如下图：

目前来看，锂氧电池最具有潜力，但是因为空气电极需要大量的导电添加剂和催化剂，能量密度的实际/理论比值肯定没有锂离子电池钴酸锂体系要高，不可能到达58%。另外，对于容量较大的电池来说，还需要包括电池管理系统、线缆、冷却系统、传感器、固定框架或者保护罩等等，能量密度的实际/理论比值还会显著降低，因此锂氧电池有些虚高的理论比容量其实吓不了多少人。根据李泓老师他们的推测，锂氧电池的电芯的质量能量密度约为500Wh/kg左右。
去年，宝马公司的技术人员在《Journal of Materials Chemistry A》上面撰写了一篇综述，名为“Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective”，个人觉得还不错，他们是从产业的视角来考量现在电池正极材料的趋势（特别是改良的方向），并且按照现在不同的反应机理给出了不同体系的理论与实际容量，理论与实际电压的对比：

图片来自http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/ta/c5ta00361j
很明显的，能量密度也并不是唯一的指标，产业界还需要同时兼具以下性能：

抛去复杂的电化学环境不谈，百尺竿头的今天，对于能量密度的哪怕是一丁点的安全提升都应该是喜大普奔。
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参考资料：
《锂电池基础科学问题（I）——化学储能电池理论能量密度的估算》
Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective
Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

作者: buffona 时间: 2017-12-19 10:49
标题: 手机电池的发展遇到了什么瓶颈？现在出现了比较靠谱的新技术吗？
手机电池感觉近几年都没有太大的发展，倒是各个厂商都开始另辟蹊径研究快充、无线充电，但终归解决不了耗电的问题。所以到底是什么制约着手机电池的发展？现在有出现一些比较靠谱的电池新技术、新材料吗？

作者: twxd 时间: 2017-12-19 10:49
散热是个蛮头痛的问题。
一两节电池也就算了，
几百节放在一起就很可观了。
甚至大的电池堆，外部边缘就有上百瓦发热功率。
这不是电池好坏的问题，只要是电池，这点是没办法避免的。
而电动车要求电池组要达到IP67的防水等级。
基本就是全部包裹，
露出来的头都要额外加以密封处理，
做到高压水枪喷上去也滴水不漏。

而这样的布置方式，
导致热量更出不来了。
风冷不了解。
水冷要分主动散热和被动散热。
区别就是里面的冷却液是否流动。
一般来说，还是不流动的比较多。
因为这个涉及到接口问题。
在车载环境中，震动频率低，容易和零部件产生共振。
对于电池组这种极其零散的组合，
后果是非常可怕的。
而如果用普通接头和水冷设备链接，
这个连接点就显得格外脆弱。
特别是现在很多用铜质或者铝合金接头。
损坏的更容易。
本身可靠性很难得以提升。
整车来说，可靠性是一个木桶效应的。
最短板，特别是关键的动力部分可靠性偏低，
整车的可靠性就低的很厉害。

所以电池组散热这个问题，简单的看只是散热。
放到整车工作环境里，
那就是个不得了的大问题。

。。。。。
写完了才发现是手机电池。。。

作者: tgboler 时间: 2017-12-19 10:49
看新闻说NASA有重大改动的核电池明年就可以投入使用

这是nasa的官网链接
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6646

原理不是聚变和裂变而是衰变，原料是钴。
预计使用寿命比现在的17年再多50%。。。。

a spacecraft outfitted with an eMMRTG would have at least 50 percent more power at the end of a 17-year design life than it does today.

其实核电池一直都有，但就无法小型化，看这篇文章的意思有重大突破，如果后续能开发出民用版那就是翻天覆地颠覆人类文明的变化了。。。

作者: ananokok 时间: 2017-12-19 10:49
就是因为手机太薄了。
要是增加厚度的话手机的一切性能都会大涨，然而公司不造我也没办法。

作者: gooobooo 时间: 2017-12-19 10:49
就现在的技术而言，手机电池使用三年（每两天一充电），三年时间后你们的手机待机还会在1天半左右。
这里暂时不举例那些尚未应用于实际的各种流弊电池，就锂离子电池而言，打到这种水平在现在只能说是极普通。
为什么不应用？
我咋知道，一个手机用三年手机商赚不赚钱啊。

作者: 13633808 时间: 2017-12-19 10:49
手机容量的问题，主要取决于材料。不是不可能提高，而是新材料的研发需要一定的时间。现有的商业产品都是对比千万种材料，才获得的结果。相比于工艺的发展，材料的改进需要较为漫长的时间。
第一块锂电池至1991年上市才25年。正极为钴酸锂，负极为石墨。
现有的正极材料还有三元材料，锰酸锂，磷酸铁锂这3种。其他的都还在研发中。这三类材料都不能完全取代钴酸锂，所以研发中的材料基本还在找。负极也是。所以在没有材料的重大突破中，大家的工艺都只是在“修修补补”。
对于新材料的研发，大家一直都在元素周期表上寻找。比如便宜点的钠离子电池，容量高一点的镁离子电池，铝离子电池等，或者锂空气电池，锂硫电池。但是这些体系的建立，需要大量的基础研究。虽然有很多天才加入，但是大量的人才都涌入到价格更高的计算机金融行业。甚至有所谓的过来人，还劝说学材料的人赶紧跳出坑。所以当吃瓜群众说电池容量怎么不能快速提高的时候，我想说，你行你上呀。
不过呢，主要原因还是化学所利用的只是核外价电子，对于内层电子利用不到，导致能量的不足。怎么利用内核电子呢？这是物理学家的事^_^

作者: BIGBON 时间: 2017-12-19 10:49
华为的软文没看见，倒是看见几个迫不及待跳出来的小丑。
如高票所言，现在手机已经相当精密了，目前的手机已经达到了一种瓶颈，在突破性的新技术出现以前，现在的电池改进都是挤牙膏，一点一点改进，要权衡的东西太多了，这不是一句话两句话能说清楚的，顺便一提，就算华为那个新的5v8a的快充，也不算什么革命性的进步，马上出炉的qc4.0大概也会达到类似的技术水平。
已经等着被扣帽子了

作者: tgboler 时间: 2017-12-19 10:49
强答一波吧，具体的原因高票已经说的很清楚了那么我再从另外的一个方面再说一下。
因为苹果。
没错，因为作为智能手机的鼻祖，苹果一直努力的方向就是尽可能的让手机变薄。
假设哪怕是明天电池技术真的取得了突破。我也敢说苹果会用先进的电池技术给iPhone减少一两毫米的厚度而不是增加一倍的续航……
那么仅仅是苹果的问题吗？其实安卓也有这个问题就是因为苹果是现在的智能机老大，所以基本上一切都跟着苹果学。
当然了这一点苹果其实是很无辜的，我又没强制你们非得跟我学变薄……
换言之，因为手机厂商为了能够让手机变得更薄而放弃了大电量，然而实际上至少对于我来说再增加一两百克重量真不是啥大问题……

作者: twxd 时间: 2017-12-19 10:49
容量提升，负极硅碳提升石墨容量密度

作者: wyo315 时间: 2017-12-19 10:49
就是容量提不上去啊。

电池技术不同芯片，芯片改进个工艺能把运算速度提上去，那是因为原来的堆积密度没达到极限。

电池的能量密度受制于材料，对锂电来说，能量密度再高就要炸了，那怎么提升？

这块的新技术很多，好像铝电之类的，但还只限于实验室，还没进入工业化阶段，谁先搞出来就是未来的巨头。

这个东西可比编个软件要看运气和储备，毕竟能做这些方向的人才不多，很多也因为工资待遇低没有选择科研方向。

作者: akmpswv 时间: 2017-12-19 10:49
化学电池基本上已经到顶，新的理论还没有出现。电池要么能量密度大（未来的核电池），要么充电快（超级电容，但能量密度还太低）。个人认为超级电容最有可能先突破，充电快，物理属性，不容易爆炸。《高能量密度超级电容结构》一文中提出的改进可以极大的提高单体耐压，从而提高能量密度，若该结构可行，锂电池就会成为历史。

新结构是将现有超级电容结构中的隔膜更换为离子与电子均不允许通过的新材质隔膜。新材质隔膜不允许离子与电子通过，将电解液完全隔离。因正负电极所接触的电解液完全隔离，在隔膜击穿电压内电解液就不会发生分解，从而提高单体耐压，极大的增加超级电容能量密度。

原文链接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26055116?utm_source=zhihu&utm_medium=social

作者: 印度大拿 时间: 2017-12-19 10:49
体积和散热

作者: eIxgQwRa 时间: 2017-12-19 10:49
在2016世界移动大会(MWC)上海展上，新开辟的石墨烯展区异常火爆。首次设立的石墨烯展区成为一大亮点，吸引了碳谷集团、第六元素和诺贝尔物理学奖得主等知名企业、专家携最新产品、技术参展，包括诸多根据石墨烯特性衍生出的创新产品，如柔性手机、快速充电电池、超薄传感器等。目前，石墨烯主要以粉体和薄膜两种形式存在。石墨烯粉体主要应用于新材料领域和能源领域，如防腐涂料、散热材料、锂离子电池等。石墨烯薄膜应用于电子领域、环境领域和医药领域等，如触控屏、电子元器件等。
来自英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所项目负责人IvanBuckley对记者表示：“这两天我们几乎一刻不停，前来问询的人络绎不绝。人们对于石墨烯的好奇心非常强烈，他们可能不了解这种材料背后的原理，但是我们会告诉他们，用石墨烯制成的灯泡，更加节能，可以连续发光几千个小时。”
记者在曼彻斯特大学的展区见到了可调光石墨烯灯泡，灯泡内有灯丝形状的LED灯，LED灯的外层被涂上石墨烯，石墨烯的导电能力强，可减少10%的能耗。Buckley向记者介绍：“最近英国曼彻斯特大学的国家级石墨烯研究所研制出了全新的石墨烯灯泡，拥有比LED灯泡更坚固的结构和更低廉的价格，一个灯泡可能就10英镑左右，能用很长时间。”
就在白炽灯被LED灯泡逐步取代的时候，这种新型石墨烯灯泡即将为照明技术带来又一次革新。英国曼彻斯特大学的国家级石墨烯研究所去年就开始了石墨烯灯泡的商业化。英国财政大臣奥斯本也对该项目赞赏有加。这种新型石墨烯灯泡仍基于LED技术研发，通过神奇的石墨烯分子大大增强其性能和使用寿命。
不同分子结构的石墨烯能够为不同用途的下游产品提供原材料。记者看到中国碳谷的展台上陈列着不同形态结构的石墨烯分子，有PE纤维、聚酰胺纤维、防腐涂料、锂离子电池、分离复合材料以及催化材料等。中国碳谷首席科学家戴加龙对表示：“根据结构的需要，能够给下游生产者进行匹配。比如防腐涂料，国家海洋研究院正在应用，能够让船体至少20年不生锈。再比如石墨烯改性锂离子电池，能够实现快速充电。海绵加上石墨烯后，能够实现油水分离，另外石墨烯还能成为3D打印原料，国家纳米中心也在使用。”（转）

作者: ananokok 时间: 2017-12-19 10:49
目前材料体系的开发已经到了现有的极限，下一代的体系并不稳定，所以新材料的开发是下一步的重点

作者: m1717 时间: 2017-12-19 10:49
其实就题主这一块，我们日常使用的都是锂离子电池。这玩意在理论上就是有上限的。毕竟电池作为一个储能器件，仅仅是相当一个杯子，每一个杯子就代表一种不同材料组成的电池，材料越好杯子就越大，但是说到底还是不能无限蓄水。大概就这么样的意思吧

作者: zhoujingli 时间: 2017-12-19 10:49
正在研究

作者: eIxgQwRa 时间: 2017-12-19 10:49
为什么不把太阳能膜做在手机的背板上，边用边充电，不是亏电了找充电器，做成光电双充不是更现实。

作者: 13834453085 时间: 2017-12-21 10:30
不是说三星的石墨烯已经可以量产了

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