揮之不去的手機電量焦慮,什麼時候才能解決?

揮之不去的手機電量焦慮,什麼時候才能解決?

如果你買了 iPhone 12,收到貨的第一感覺,基本上都是一個字:輕!

對於手機來說,重量的大小主要取決於兩個模組:一個是鏡頭,一個是電池,iPhone 12的設計師幾乎是冒天下之大不韙,把標配版的電池容量降到了2775mAh,而 mini版的更是只有2227mAh。

再看看其它品牌手機,電池容量基本上沒有4000mAh以下的,這意味著它們用起來更持久(當然 iPhone 的新晶片也在節電方面做足了功夫),但 iPhone 輕了,自然手感也好,不同品牌的設計理念,各有千秋吧。

手機,從最初的大哥大,到現在的智慧機,電池容量的變化已經可以說是幾年前的幾十倍以上,但我們對電池的焦慮,卻一點都沒減輕,我們日益先進的電池,為什麼就無法滿足人民不斷增長的續航需求呢?

手機發展史,也是一部電池焦慮史

1973年,美國摩托羅拉工程師馬丁·庫珀發明了世界上第一部真正的手機,不過,使用這部手機,與其是說在打電話,不如說是在舉鐵,因為它足足有2千克重。

馬丁‧庫帕,和「謝耳朵」一個姓,此照片拍攝於2007年。圖/Wikipedia

庫帕這款手機的重量和它之前那些所謂的「手機」比起來,還是輕了很多,要知道,瑞典埃裡克森公司在上世紀50年代的「手機」,光電池就有近40千克,這已經不是用手就能使用的了。

10年後,摩托羅拉的 DynaTAC 8000x,也就是我們所熟知的「大哥大」誕生了。作為人類第一款商用手機,它的重量也不輕,差不多有0.9千克,這相當於你同時拿起5個半 iPhone 12標配版。

在「大哥大」那巨大的身材裡,有一半都是電池,但它的電池容量只有500mAh,而且需要10小時才能充滿,充滿後卻只能打30分鐘電話,真正做到了「充電2小時,通話5分鐘」。

手機的發明者庫帕拿著一個「大哥大」,在一次會議上擺拍。圖/Wikipedia

「大哥大」使用的電池是鎳鎘電池,這種電池在上世紀80年代已經非常先進了。鎳鎘電池顧名思義,陰陽兩極一頭是鎳(正極,2NiOOH),一頭是鎘(負極,Cd),電池溶液是氫氧化鈉(NaOH),電池放電時,負極的鎘與兩個OH-反應放出2個電子,在正極形成2個新的OH-,以保證電池溶液濃度不變。

鎳鎘電池工作原理。製圖/張雨晨

和第一代可充放電的鉛蓄電池(未曾用於手機)比,鎳鎘電池體積小,電流大,而且反覆充放個500次都沒問題,當然,它也有許多缺點,比如電池容易發熱,鎘元素有毒,不好回收等等,但這些問題都沒有記憶效應嚴重。

所謂記憶效應,就是電池在電量沒有全部用光的時候就充電的話,容量會變小。比如你經常在還剩50%電的時候開始充電,久而久之電池就會「認為」電池的最低電量就是50%。

幾種鎳鎘電池。圖/Wikipedia

對於只能支援半個小時通話的大哥大來說,記憶效應是致命的,致命到你甚至想扔掉這款價值上萬美元的手機。記憶效應的陰影甚至影響到了現在,很多人在使用今天的鋰電池時,還會不自主地認為:電放乾淨再充對手機才好(其實恰恰相反)。

1989年,新一代鎳氫電池的商用化才緩解了記憶效應帶來的電量尷尬。鎳氫電池無毒,雖然有記憶效應但很容易恢復,而且它容量量更大:1997年推出的搭載鎳氫電池的摩托羅拉166C,電池容量已經達到了1300mAh。

鎳氫電池,但這不是手機用的鎳氫電池。圖/Wikipedia

但是,鎳氫電池也有自己的問題,它發熱量大,不用的時候漏電很厲害——即使關機了,也不能阻止電池把電耗光。因此,鎳氫電池隨著手機之光——鋰電池的逐漸商用,也被取而代之了。

手機之光——鋰電池

1991年,鋰離子電池,也就是我們常說的鋰電池首次進入商用領域,手機終於獲得了持久而穩定的續航。可以說,如果沒有鋰電池的加持,就沒有今天功能強勁的手機和五花八門的 APP。

鋰電池和鎳鎘電池、鎳氫電池不一樣,後兩者在充放電的時候,都是電子和OH-來回跑,鎳和其它金屬是不動的,鋰電池則是鋰離子和電子來回跑

就拿我們現在常用的鋰電池來說,它的負極一般是片層結構的石墨,鋰原子就「夾」在這些片層之中,而正極,則可以是各種類型的鋰合金金屬氧化物,它呈網格狀,鋰原子同樣也能藏在裡面。這種結構的電池的充放電過程,實際就是鋰原子逃離「牢籠」,透過電池中間的隔膜、電子透過導線來回跑而已。

 鋰電池工作原理,此處的晶格結構僅為示意,不同的物質晶格結構有所不同。製圖/張雨晨

相比於另外兩種電池,鋰電池容量大,沒有記憶效應,發熱也少,除了造價貴之外,幾乎沒有什麼缺點。80後記憶裡的那幾款超長續航的諾基亞小板兒機,比如待機時間可接近2周的5110,其背後都是鋰電池的功勞。

砸不爛,用不壞,長續航的諾基亞5110。圖/Wikipedia5110使用的鋰電池。圖/Wikipedia

5110使用的锂电池。图/Wikipedia

今天的鋰電池,和5110用的鋰電池相比,容量已經提升了數倍,但這種提升速度卻依然跟不上時代的步伐。

如今的智慧型手機,性能先進,都已經快成相機+電腦的結合體了,各種大型軟體、即時通訊軟體都會大量耗電,大螢幕、120Hz高畫質螢幕也會增加耗電,反觀我們自己,用手機的時間也是越來越長。

對於許多人來說,手機已經代替了相機。

鋰電池就不能再發展發展,更加澎湃、持久麼?恐怕很難!

想提升鋰電池的性能,無非就是提高鋰原子的佔比而已,現在鋰離子電池中的鋰原子佔比僅不到1%,看似還有大把的提升空間,但提升後的安全性卻無法得到保障,具體的例子這裡就不展開了。

至於安全為何無法保障,還是材料學的問題。鋰電池現有的正負極材料,比如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元鋰等,容納鋰原子的效率並不是那麼高,鋰原子的濃度高了,透過隔膜後容易在正極表面堆積形成結晶,最終刺破隔膜導致短路,引發火災。

所以,在找到更合適的正負極材料之前,我們只能透過改良隔膜和電解液的方式變相提高鋰離子電池的能量密度。像特斯拉的Model S裝載的7000多塊松下18650鋰電池,能量密度就略高於其它競爭對手,所以這車雖然不輕,但續航里程也能達到500公里以上。


小提醒:鋰電池該如何充電?

鋰電池沒有記憶效應,但害怕過度放電和充電。過度的放電和充電,會讓部分鋰原子被死死地「壓進」正負極中無法逃脫,導致電池容量減小。所以,鋰電池一般可以在還剩20%電量的時候充電,充到90%的時候結束充電。

不過,現在手機的鋰電池中都有保護電路,會在過度充電時切斷電路,儘管如此,還是儘量避免充電過夜。 

另外,在充電期間玩手機遊戲,也會導致電池溫度提升,壽命縮短。


我們的電量焦慮,什麼時候才能解決?

能從根本上解決電量焦慮的方法,還是改進電池。

科學家們至今還沒有放棄鋰電池,矽和鋰金屬都被認為是可以作為正負極的潛在材料,幾年前,新加坡南洋理工大學的科學家曾嘗試用二氧化鈦凝膠代替石墨,但這種改進只是讓充電變得更快,電容量卻不見增加。

以硫為陽極的鋰硫電池是在短期內最有可能成功的技術之一,只不過,鋰硫電池在連續充電後電解液迅速降解的問題很難解決。

鋰電池的革新,不僅關乎到手機電量,還決定了電動汽車是否可以真正取代燃油車,圖中為尼桑電動車底盤上的電池塊。圖/Wikipedia

除此之外,人們還嘗試使用固態物質代替鋰電池裡的電解液,這樣就沒有刺破短路的風險了。但固態物質與陰陽兩極的接觸可沒法做到液態物質那麼緊密,電導率也難以提升。

在鋰電池之外,燃料電池也為電池的未來提供了一種新的可能性,比如氫能源汽車如今已經在日本上市了,但這種電池能否用在手機上,還是個未知數(聽說蘋果就在研發氫能源手機)。

豐田汽車公司在2015年推出的氫能源汽車。圖/Wikipedia

中國企業研發的氫能源自行車。圖/Wikipedia

在電池技術尚未突破的時候,我們還能用快充來解決焦慮在現有的電池保護技術條件下,快速充電對鋰電池的損傷基本上可以忽略不計,甚至很多時候,手機電池還沒退役,你就已經考慮在為新型號的手機剁手了!

充電寶也是一種選擇,不過這已經不關電池的事情了。圖/圖蟲‧創意

當然,還有一種最為簡單、也最為環保的解決電量焦慮的方法,那就是在點擊「在看」後,放下你的手機,讓眼睛好好休息一下吧~

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