化學(xué)原理

　　移動設(shè)備中使用的電池是化學(xué)工程的杰作：將大量的電量存儲在一個小小的方塊中，就可以讓移動設(shè)備持續(xù)運(yùn)行好幾個小時(shí)。它是怎么工作的？如何才能發(fā)揮它的最大效用？

　　現(xiàn)代移動設(shè)備多數(shù)都使用鋰電池，主要包含兩個部分：一對電極和存在于它們之間的電解液。電極的材料有很多種，可以是鋰，也可以是石墨，甚至可以是納米線，但無一例外都要依賴鋰這種化學(xué)成分。這是一種活性金屬，因此容易與其他元素合成。純鋰的活性極高，甚至?xí)诳諝庵凶匀?，所以多?shù)電池都使用更加安全的鈷酸鋰。

　　兩個電極之間是電解液，通常是一種液態(tài)有機(jī)溶劑，使得電子可以在其中流動。當(dāng)鋰電池充電時(shí)，鈷酸鋰分子可以俘獲電子，然后在電池使用過程中釋放電子，從而支持手機(jī)的運(yùn)行。

　　鋰電池是最常見的一種電池，因?yàn)樗梢栽谧钚〉目臻g內(nèi)存儲最多的電量。這需要通過能量密度來衡量，也就是每千克電池所能存儲的電量，以瓦時(shí)(wh)為單位。鋰電池的能量密度一般在150至250瓦時(shí)/千克之間，而鎳氫電池僅為100瓦時(shí)/千克。換句話說，鋰電池比其他類型的電池更小、更輕，因此能夠壓縮設(shè)備的體積，但依然可以保持較長的電池續(xù)航時(shí)間。

　　上述化學(xué)過程可以歸納如下：設(shè)備中的電池可以存儲電量，之后，內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)便會以任何可能的方式釋放電量。但這同樣會出現(xiàn)問題，例如，最新的波音787夢想客機(jī)的電池就會在飛機(jī)?？繒r(shí)出現(xiàn)著火故障。

　　這是鋰電池的缺陷之一：倘若電池放電過度，內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)便會分解，生成過量的氧化鋰，從而燃燒，并生成更多的氧化鋰，如此反復(fù)?；瘜W(xué)家稱之為“熱失控”，普通人看到的是著火，這也是波音787被美國航空管理局(FAA)禁飛的原因。由于電池被刺破后也會發(fā)生同樣的情況，因此美國運(yùn)輸安全管理局(TSA)建議飛機(jī)乘客將電池小心放置于隨身行李中，而不要托運(yùn)。

　　電池容量

　　電池容量的單位是毫安時(shí)(mAh)，代表的是一塊電池所能提供的整體電量。例如，倘若一塊電池容量為1000毫安時(shí)，便可以在1小時(shí)內(nèi)持續(xù)供應(yīng)1000毫安的電流。如果你的設(shè)備電流為500毫安，那么這塊電池的使用時(shí)間大約為2小時(shí)。

　　不過，一款設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間要更加復(fù)雜一些，因?yàn)樘囟ㄔO(shè)備的具體耗電量取決于它所執(zhí)行的任務(wù)。倘若這款設(shè)備的屏幕點(diǎn)亮、無線傳輸功能開啟、處理器全速運(yùn)行，便會比屏幕關(guān)閉、無線傳輸功能關(guān)閉、處理器閑置時(shí)消耗更多的電量。

　　正因如此，消費(fèi)者應(yīng)當(dāng)更加謹(jǐn)慎地對待廠商宣稱的電池續(xù)航時(shí)間——他們可能會通過調(diào)低屏幕亮度，或是關(guān)閉部分組件的方式來延長續(xù)航時(shí)間。如果你感到好奇，可以使用一些專門的應(yīng)用來監(jiān)測移動設(shè)備的耗電量和電池狀態(tài)，Android中的Battery Monitor Widget和iOS中的Baterry Life Pro都可以實(shí)現(xiàn)。

　　控制電流

　　由于有可能著火，所以必須對鋰電池進(jìn)行嚴(yán)密控制。電池廠商通過充電控制器來管理電流，從而實(shí)現(xiàn)這一目的。事實(shí)上，每一塊電池都內(nèi)置有一臺小型電腦來防止其過度放電。這個組件還可以控制充電期間進(jìn)入到電池中的電流，在即將充滿時(shí)放緩電流，避免過度充電。

手機(jī)充電時(shí)，最后一部分電量需要花費(fèi)更長時(shí)間才能充滿

　　為了展示這一過程，我們對三星Galaxy Note手機(jī)進(jìn)行了充電，并測量了整個過程中的電流，而且與對應(yīng)的電量比例進(jìn)行了對比。從上圖可以看出，充電初期的電流最高，之后逐漸降低。最后一部分電量的充電時(shí)間很長，原因是控制器在放緩電流，避免電池過沖。

　　未來發(fā)展

　　電池技術(shù)一直在進(jìn)步，全球各地的很多實(shí)驗(yàn)室都在研究新的電池技術(shù)，以便取代鋰電池，或是開發(fā)更高級的鋰電池技術(shù)。

　　在這些新技術(shù)中，很多都用到了超級電容，從而在瞬間存儲電量，然后瞬間釋放，效果類似于閃光燈。由于幾乎不涉及化學(xué)反應(yīng)，超級電容可以大幅加快充電時(shí)間，但目前的超級電容只能在一瞬間釋放電量，不符合多數(shù)移動設(shè)備的要求。

Nectar燃料電池

　　能夠利用氫元素發(fā)電的燃料電池也將很快誕生。今年1月的拉斯維加斯國際消費(fèi)電子展(CES)上展示的Nectar燃料電池系統(tǒng)可以使用10美元的燃料桶來支持手機(jī)運(yùn)行兩個星期。然而，燃料電池的體積還不夠小，無法安裝在手機(jī)中——Nectar系統(tǒng)只能為手機(jī)內(nèi)置的鋰電池充電，但卻無法取代鋰電池。

　　硫磺最終也有可能用到鋰電池中。美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家最近就開發(fā)了一種電池技術(shù)，可以利用納米技術(shù)將硫磺加入到現(xiàn)有的化學(xué)成分中，最高能將鋰電池的能量密度提升5倍，而且還能延長使用壽命。不過，這種技術(shù)無法在幾年內(nèi)投入市場

鋰電池是大家非常熟悉的電子產(chǎn)品，目前廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦及電動汽車等產(chǎn)品。不過，鋰電池的聲譽(yù)也為充電時(shí)間長、使用壽命短等頑疾所困。近日，新加坡南洋理工大學(xué)研究小組發(fā)明了一種新型快速充電電池，能在2分鐘內(nèi)充電70%，且使用壽命長達(dá)20年，是當(dāng)前電池使用壽命的10倍。

　　鋰電池主要由正極材料（如鋰鈷氧）、電解液和負(fù)極材料（如石墨）組成。每當(dāng)充電時(shí)，鋰離子從正極材料鋰鈷氧晶格中脫出，經(jīng)過電解液后嵌入到層狀石墨中；放電時(shí)，鋰離子又從層狀石墨的晶格中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)后嵌入到鋰鈷氧中。在電池充放電的過程中，鋰離子在正極和負(fù)極之間來回轉(zhuǎn)移，所以鋰電池也被形象地稱為“搖椅電池”。近年來，科學(xué)家們對新型鋰電池、尤其是高容量的鋰硫、鋰氧電池以及納米硅電池的研發(fā)呈井噴態(tài)勢，但由于合成工藝復(fù)雜、成本高、循環(huán)壽命短等原因，很多成果沒能得到普及。

　　傳統(tǒng)鋰離子電池?zé)o法進(jìn)行快速充電，主要受限于石墨電極的安全性能，并且電池工作時(shí)會在電極表面形成一層固體電解質(zhì)膜，阻擋了鋰離子的“腳步”，進(jìn)而減慢了鋰離子的運(yùn)輸速度。最新發(fā)明的新型鋰電池的創(chuàng)新點(diǎn)在于，它使用超長的二氧化鈦納米管凝膠而非傳統(tǒng)的石墨材料作為電池負(fù)極。這種新型材料不會形成電解質(zhì)膜，鋰離子可以飛速嵌入，進(jìn)而達(dá)到快速充電效果。同時(shí)，得益于一維二氧化鈦納米凝膠的特殊結(jié)構(gòu)，新型電池實(shí)現(xiàn)了壽命的突破，循環(huán)次數(shù)可達(dá)上萬次。假設(shè)一天充電一次，可使用20多年。而且，此項(xiàng)研究所使用的二氧化鈦（俗稱鈦白粉）原料成本低且易于加工，電池重復(fù)性好，可靠性也高，而且能與現(xiàn)有工藝無縫銜接，其工業(yè)化應(yīng)用前景十分光明。

　　鋰電池出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，1991年，索尼公司發(fā)布了首個商用鋰電池，自此革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。盡管鋰電池應(yīng)用越來越廣，但其續(xù)航能力和使用壽命一直未得到有效突破，也制約了電動汽車等行業(yè)的快速發(fā)展。這項(xiàng)新的技術(shù)突破會給很多領(lǐng)域帶來廣泛影響，在移動設(shè)備領(lǐng)域，新型電池可以避免一些電子設(shè)備的“被迫淘汰”；電動汽車領(lǐng)域也將極大受益，不僅充電時(shí)間可由原來的幾小時(shí)縮短為幾分鐘，用戶也無需頻繁更換價(jià)格昂貴的電池組（成本約1萬美元），這為電動汽車的進(jìn)一步普及帶來了利好。

　　不過，當(dāng)前鋰電池的發(fā)展面臨的一個瓶頸是：若想提高容量，勢必要犧牲充電速度和循環(huán)壽命，而提升充電速度又難以維持較高的容量。未來電池的更新?lián)Q代，一方面需要提高安全性能，比如對固態(tài)半固態(tài)電解液的研究，另一方面，需加快大容量正極材料的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)鋰電池在能量密度上的突破。總之，電池的正負(fù)極以及電解液材料需要協(xié)同并進(jìn)發(fā)展，這樣才能夠在形態(tài)、容量等方面有更大的進(jìn)步。