续航、安全和性能

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  影响智能手机体验的核心要素都有哪些?更强的性能、更完美的拍照成像效果、更流畅的系统和更丰富的功能,除了上述这些因素外,持久的续航自然也是重中之重。提到续航,我们都知道它受电池牵制,但你可曾想过,电池除了影响待机和安全外,还有可能成为手机性能的拖累吗?
  电池容量遭遇瓶颈
  对智能手机而言,其内置锂电池默认的工作电压都是标准的3.7V,在屏幕和其他硬件参数相似的情况下,更大的电池容量就等于更持久的续航潜力。



  技术革新脚步放缓
  对手机电池而言,电解质和阴阳极材料是决定性能指标的核心。在过去的几十年中,电池的材料技术经历过几次革新,比如“大哥大”时期的镍镉电池和镍氢电池、功能机时代的锂离子电池、智能手机时代的锂离子聚合物电池等(图1)。
  然而,电池技术可不像半导体芯片拥有“摩尔定律”的光环,別说18个月翻一番了,180个月能有所提升就谢天谢地了。随着智能手机屏幕越来越大、性能越来越强,想保持至少一天一充的续航下限,就只有暴力增加电池容量这一条出路了。
  能量密度的安全上限
  根据“电池容量=能量密度×电池体积”的公式来看,在由正极材料钴酸锂(LiCoO2)+电解质+隔离膜+负极材料石墨这四种主流电池构成材料没有替代品之前,只有想办法提升电池能量密度和电池体积(图2)。问题来了,智能手机如今都在追求更轻更薄的设计,留给电池的空间自然受限,想无限提升电池体积并不现实。



  另一方面,锂电池的能量密度也是存在安全上限的(最高在650Wh/L到700Wh/L左右),如果一再追求更高的能量密度就会带来极大的安全风险。比如三星在2016年推出的Galaxy Note 7就曾遭遇“爆炸门”事件(图3),原因就是为了在有限体积的电池里提升能量密度,三星重新设置了电池规格和标准,尽管三星对其提供了多种保护,但全新设计的电池依旧遇到了麻烦。
  具体来说,三星设计师为了给Galaxy Note7塞进更大的电池,不得不采用偏紧凑的机身设计。在一松一紧之间,三星加入了用CNC加工的保护罩,但显然这种设计并没有奏效。由于这种过于激进的设计,用户在平常的使用中也可能出现电池受到过度挤压的情况,从而导致电池内部短路进而着火甚至爆炸(图4)。
  在这种大环境下,5.5英寸16∶9屏幕或采用6英寸18∶9全面屏设计的手机要想保持7.5mm厚、170g重的轻盈身材,电池容量就只能保持在3000mAh左右。那些市面上标配4000mAh或5000mAh电池的产品,普遍没有太过性感的身材,不是重量超标就是厚度超标。



  1+1双电池参上
  为了弥补难以增大的电池带来的续航压力,各种快速充电技术和系统层面的省电优化技术层出不穷。与此同时,在电池层面也涌现出了一种全新的设计方案,那就是双电池模块设计。
  双电池永不断电
  最早引入双电池概念的智能手机可以追溯到夏新在2012年推出的N808,这款产品内置一大一小两个电池仓(图5),可以同时安装1630mAh+900mAh两块电池实现2530mAh的总容量(图6),从而获得超越同期竞品的续航能力。
  而这款产品双电设计的另一个好处是:在手机正常使用中可以替换其中一块电池,而另一块电池依旧可以保持手机的正常使用,从而实现持久待机永不断电的梦想。不过,如今的智能手机都已经过渡到不可拆卸的内置锂电设计了,这种双电思路已经被历史淘汰。



  双电池安全扩容
  金立在M 5和M 2 017为了诠释“超级续航”的卖点,分别内置6020mAh和7000mAh电池,虽然牺牲了轻薄却无需再为待机担忧。问题来了,前文我们已经提到,无休止地提升电池能量密度存在较大的安全隐患。因此,这两款手机内部分别采用了3010mAh+3010mAh和3500mAh+3500mAh电芯并联的双电池方案(图7),并将它们塞入同一块电池容积中。
  如此设计既有利于减小单一电池模组的体积,同时一分为二的电芯还可减少大量活跃电离子在一起时的能变效应,减少长时间使用或充电过程中的发热和不稳定现象。对容量大于5000mAh的手机电池而言,这种双电芯设计可最大限度提升安全性。
  双电池优化结构
  需要注意的是,双电池设计不一定是为了单纯的增强续航。以苹果最新5.8英寸全面屏版的iPhone X为例,这款产品就内置了L型的双并联电芯(图8),总容量达到了2700mAh(图9)。虽然较之上代5.5英寸的iPhone 7 Plus的2900mAh少了200mAh,但请不要忘记,iPhone X的体积只比4.7英寸iPhone 7略大一点,而容量却比iPhone 7内置的1960mAh电池足足增加了740mAh!
  实际上,iPhone X这种L型双电池方案的设计初衷还考虑到了主板、内存、电话卡、摄像头、喇叭等一切配件的合理布局,为在超薄的机身里实现双层堆叠的PCB主板和无线充电线圈腾挪出了足够的空间。
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