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電池知識

現(xiàn)階段柔性電池技術(shù)的發(fā)展與折疊屏手機有什么關(guān)系?

來源:寶鄂實業(yè)    2019-05-17 14:48    點擊量:

聽說柔性電池很火,從我開始讀博就在關(guān)注這個方向,沒想到學(xué)術(shù)界的風(fēng)還沒刮完,現(xiàn)在就已經(jīng)來到工業(yè)界了(但是工業(yè)界吹牛是吹不出來東西的啊),前兩天還在某學(xué)術(shù)群里看大佬們爭論柔性的問題,現(xiàn)在來到知乎似乎要切瓜了,表示十分喜感。先從簡單的,我的結(jié)論說起,現(xiàn)階段柔性電池技術(shù)的發(fā)展與折疊屏手機并沒有什么關(guān)系。

個人淺見,除了成本這個籠統(tǒng)的角度外,這句話在現(xiàn)階段有三個衍生含義,即:

1. 從柔性電池發(fā)展的角度,柔性電池暫時不能給手機供能;

2. 從滿足手機使用的角度,手機電池暫時無法柔性;

3.從折疊手機現(xiàn)階段的技術(shù)看,折疊屏手機暫時不需要考慮電池的柔性。

友情提示:每年快到畢業(yè)的時候,我就很緊張。你們很難想象,我把前幾年辛辛苦苦找資料,然后碼字的文章寫到自己的論文里時,竟然發(fā)現(xiàn)有人直接這么抄了,你們這是什么操作???以下文字有不少是從我博士論文里直接拉出來的,各位,最近查的很嚴哦。


別一有大新聞就來懟鋰電池啊,你知道鋰離子從正極跑到負極有多努力么,它要掙脫出艱難地穿梭在正極的晶格間,費勁地跨欄掙脫出正極表面的勢壘束縛,緩慢的游過泥濘的電解液,還要在液體里越過隔膜的阻礙,好不容易來到負極還要想盡辦法扎進負極,再次掙扎地鉆進負極的晶格,一不小心就可能被電解液大兄弟拉近SEI的傳銷隊伍中,還可能會被電子美眉吸引自由的翱翔在負極表面......

言歸正傳,我想從幾個方面。(可能比較長,但是一直在實習(xí),實在是比較忙,大約一周更新完,如有錯誤,煩請指正)

1. 從電池的角度,柔性電池(暫時)不能給手機供能手機電池暫時無法柔性,可以理解為電池自身發(fā)展本不足問題的一體兩面。

先來談電池,電池技術(shù)不比電子電路技術(shù),可以通過摩爾定律去衡量。同時,3C類產(chǎn)品自身的性質(zhì)就決定了,其儲能和轉(zhuǎn)換設(shè)備本身必須要有(相對)小、輕、薄的性質(zhì)。那么,在電池電量一定的情況下,我們自然會選擇能量密度(優(yōu)先)和功率密度(其次)有優(yōu)勢的技術(shù),毫(mei)無(you)疑(ban)問(fa),只有鋰離子電池具有這樣的潛力,其余技術(shù)真的是一個能打的都沒有(欸,別誤會,我不是針對誰,我只想說...)。

):359-367.)

從上圖,我們常用的電池從結(jié)構(gòu)上看無外乎圖一所示四種。不難發(fā)現(xiàn),這01年的文獻示意圖到現(xiàn)在,除了部分材料的發(fā)展而有所替代,大體上并沒有改變,而在這接近二十年,摩爾定律已經(jīng)多少代了?(這種類型的電池原理甚至可以追溯到伏打電池,您再想想這個時間)

圖2 松下柔性電池技術(shù)參數(shù)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

再從柔性電池方面看,除了松下,大的工廠都沒有號稱要量產(chǎn)柔性的電池(那種沒有潛在量產(chǎn)機會的不算的話,或許有遺漏),這種號稱能彎曲1000次性能不衰減。我們講柔性的時候時常會提到幾個形容詞,、薄或小可彎折。如果你稍微熟悉一些電池大概就能了解,電池有個很關(guān)鍵的參數(shù)叫比容量,而這個能量密度有兩個評價指標質(zhì)量比容量體積比容量,而電池中主要提供容量的電池材料稱為活性物質(zhì),其他不提供容量的材料統(tǒng)稱為不活性物質(zhì),那么:

C_{總?cè)萘縸=C_{體積比容量}\times a_{長度}\times b_{寬度}\times \left( c_{活性物質(zhì)厚度}+c_{非活性物質(zhì)厚度} \right)

C_{總?cè)萘縸=C_{質(zhì)量比容量}\times (m_{活性物質(zhì)質(zhì)量}+m_{活性物質(zhì)質(zhì)量})

一般來說,在工藝制程中,非活性物質(zhì)的量很難減少(即電池外殼、集流體厚度和質(zhì)量,隔膜還有導(dǎo)電劑粘結(jié)劑的這部分,可以認為基本正比于活性物質(zhì)的量),所以為了輕薄只能減少活性物質(zhì)的量,而這會帶來總?cè)萘康臏p少,例如松下采用的就是使用的單片電池解決方案。

所以,從柔性電池的角度理解,受限于電池技術(shù),現(xiàn)階段的柔性電池很難達到高電量,從柔性電池的應(yīng)用角度來說,它的潛在應(yīng)用一定是用電側(cè)電量需求小的器件,如柔性可穿戴的手環(huán)、手表等類似的電子設(shè)備;從手機電池的角度,應(yīng)該會嘗試使用電量更大的單體以滿足日益增長的電量需求或采用質(zhì)量比容量更大物質(zhì)擴大該體積電池所帶的總?cè)萘浚@半句大概就是雷布斯的意思。

BTW,即使電量上滿足了,從機械性能上看,你們確定不會像沒事手機劃屏一樣沒事掰掰手機放松一下,現(xiàn)階段的1000次,按一天你放松10次算,100天電池就GG了。(滑稽)

2. 電池柔性的難點。

柔性電池和普通電池的主要區(qū)別在于,會在引入外力的時結(jié)構(gòu)的微區(qū)域發(fā)生形變而引入微觀結(jié)構(gòu)的變化。一般認為,其主要參數(shù)為彎曲半徑R,形變長度L和形變角θ(圖3)。在彎曲時,對于電池的每層物質(zhì)彎曲的處的應(yīng)力應(yīng)變時明顯大于其他位置的,同時,電池層與層之間的異質(zhì)界面也可能出現(xiàn)單一的滑移、破損和失效。

圖3 柔性電池的主要參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變模擬圖

我們常見的鋰電池主要包括,電極材料、隔膜、電解液、集流體(極耳)和封裝層。電極材料的一般都是活性無機物質(zhì)粉末、粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的混合物,無機材料和導(dǎo)電劑混合在粘結(jié)劑的黏性作用下涂布在集流體上,并在軋輥的作用下壓實....這里可以發(fā)現(xiàn),電極材料本身時通過類似膠水的粘結(jié)劑相互黏接并粘在集流體上的,這種黏附力在沒有外力作用時還比較牢固,但一旦外力介入,活性物質(zhì)很可能在雙重應(yīng)力的作用下相互脫附,導(dǎo)致電極內(nèi)阻變大、庫倫效率降低等一系列問題。同時,集流體和鋁塑膜封裝層這類金屬材料的柔性主要通過自身的彈性和塑性來實現(xiàn),而反復(fù)彎折時,極有可能局部遭到不可逆破壞,而使電池失效。對于有機的PP或PE隔膜,其柔性相對最優(yōu),但非常容易在電池反應(yīng)過程被氧化而變脆,在外部或內(nèi)部應(yīng)力作用下破碎,導(dǎo)致正負極直接接觸發(fā)生安全問題,嚴重的就Boomshakalaka,這也是為什么現(xiàn)在大力推廣全固態(tài)電解質(zhì)的原因,但是除去成本的問題,若采用全固態(tài)的無機電解質(zhì),其問題和活性材料一致(我其實一致很好奇臺灣輝能的LIPON為什么能反復(fù)彎,是因為很薄還是非晶的各項同性?有了解的大佬麻煩指教 )。若是有機全固態(tài),理論上可行性似乎更大,但現(xiàn)在比較成熟的解決方案應(yīng)該還沒有(離子電導(dǎo)率和成本等問題還有不少問題)...除了每層自身的問題,層和層之間也存在界面問題,比如活性物質(zhì)脫離集流體而失活,電解液在彎曲時漏液等等一系列問題。

3. 柔性電池的解決思路

圖4 兩種柔性電池解決方案(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

從現(xiàn)有資料看,各種概念型的柔性電池?zé)o外乎兩種(圖4)。第一種是單片(少層)疊片或少層卷繞的一塊“超薄”電池(圖1中疊片和卷繞的超薄版)。他們共同的特點就是真的超薄。正如上文所說,代價就是活性物質(zhì)少、電池的比容量低,優(yōu)點是基本兼容現(xiàn)有的工藝和封裝方法,主要需要解決的問題,一是如何在反復(fù)彎曲時不漏液,二是增強活性物質(zhì)和集流體的黏附力。第二種的基本思路是將一塊電池化整為零,將電池設(shè)計成類鉸鏈的結(jié)構(gòu),有電池單體的地方厚,作為電路的地方薄,在彎曲時電路薄區(qū)承擔(dān)彎曲任務(wù)而不影響電池單體的結(jié)構(gòu)性能。這個方案優(yōu)點是我完全兼容電池工藝和制造,只需要合理設(shè)計電路。缺點和現(xiàn)在電動車電池也有部分類似,需要電池單體的一致性高,且空間占用率高而且有一種侮辱智商的既視感...

對于手機電池來說,一般認為體積能量密度比質(zhì)量能量密度更為重要,畢竟手機屏幕、電路和傳感器等元件已經(jīng)占用了極大的部分。正如很多答主所言,留給手機電池的空間不多了!所以,后面哪種技術(shù)會脫穎而出并不取決于方案本身,而是看給手機的空間有多大,電池的電極活性材料能發(fā)展到什么程度。(需要我再介紹一下電池材料么?),當(dāng)然,更大的問題是,以上的所有改進方案和現(xiàn)行的生產(chǎn)工藝并完全不兼容或者壓根還沒有。任何一種改變都要錢啊錢,但是現(xiàn)在的柔性屏似乎并不需要電池有什么柔性,管好所需的電量似乎就可以了。成本是樹在工藝提升面前的最大障礙>(或者壓根別人不覺得是障礙)

雷軍的說法里,空間占用才是折疊屏手機的難點,電池屬于一個表象。

電池技術(shù)很久沒有本質(zhì)革新,這是事實;但折疊屏手機元件增加后空間占用太高才是導(dǎo)致電池?zé)o法增加的原因。

如果要增大電池,帶來的厚度和重量的激增,將會使得它失去“手機”的便攜性,而淪為一臺可以折疊的“平板”,這是我理解的雷軍所說的“折疊屏手機量產(chǎn)性還不夠好”。

當(dāng)然,我們也可以說是由于電池技術(shù)沒有進步、又厚又重,從而導(dǎo)致整機沒法做輕薄同時續(xù)航好 這么理解也沒毛病。

 

雖說有不少人說對厚度重量沒那么敏感,但是你面對一臺11mm以上厚度,重量近300g,電池卻遠小于同尺寸平板、僅僅大于常見大屏手機電池容量--對于這樣的設(shè)備你真的非常心動嗎?

當(dāng)然,這種說法不能抹除華為、三星等公司技術(shù)上的先進性。顯然,他們的產(chǎn)品要更成熟。如果說推出量產(chǎn)型折疊屏手機誰會更快,那肯定還是他們。


既然題主說到了電池技術(shù),那就說說折疊屏手機搭載雙電池的好壞處吧。

首先折疊屏肯定會導(dǎo)致鉸鏈將手機斷成兩部分,目前來看采用雙電池勢在必行,柔性折疊電池還不太明朗。

雙電池也是有好處的,最大的顯性提升就是充電功率。雙charger_ic雙路供電,可以實現(xiàn)更大功率的快充,華為能做到mate X上55W的快充,和雙電池設(shè)計也不無關(guān)系。

(PS:其實OPPO R17 Pro上已經(jīng)用到雙電池快充的設(shè)計了。)

當(dāng)然,壞處就是控制上更加復(fù)雜,需要軟硬件工程師更多努力了。


題外話:

小米之前展示的是雙折疊屏幕,而三星、華為、OPPO展示的是單折疊屏幕。

單折會導(dǎo)致折疊后,整機厚度相當(dāng)于兩個屏幕+兩個電池+兩個后蓋;兩折還會需要在背部留出攝像頭的位置,

單鉸鏈已經(jīng)占用了中部的空間,且增加了重量和厚度;雙鉸鏈也會導(dǎo)致空間利用率進一步下降;

以我的理解,小米雙折的實現(xiàn)量產(chǎn)難度要更大,面臨的問題也會更多。這種方案,小米量產(chǎn)時應(yīng)該也不會采用吧。(現(xiàn)在更多是ID設(shè)計而已,缺乏實用性)


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