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移动时代的电池技术突破任重而道远

电子发烧友网
2017-02-17
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电池对于移动设备的重要性自然不言而喻,但目前移动设备的电池续航能力已经发展到瓶颈期,这已经严重阻碍了移动计算的发展。各大企业都在不遗余力地通过变通方式弥补这一不足,但变通终归只是变通,永远无法彻底解决问题。与此同时,越来越多的设备、应用和配件都在加强各自的移动属性。倘若未来世界果真要依赖电池,人类确实任重道远。

电池是系统中的薄弱环节

虽然智能手机的能力、速度和功能发展迅速,但续航的增加就要缓慢得多。举个例子,iPhone6的A8处理器在CPU和GPU速度上相比2007年的初代iPhone分别提升了50倍和84倍(而今年的A9相比A8在这两方面又提升了70%和90%)。

但是,iPhone在续航方面的提升就没那么夸张了。初代iPhone声称可提供8小时的通话时间和6小时的“互联网使用”,而最新的iPhone6s则可提供14小时的通话时间和11小时的互联网使用——提升幅度还不到2倍。

当然,有人也许会说,iPhone在带来如此大幅度性能提升的同时还能维持续航能力的提升实属不易,且两款机型的续航数字并不具备多么大的可比性,因为和2007年相比,如今的语音网络和“互联网使用”已经发生了重大变化。

对可穿戴设备而言,电池续航时间可能会构成更大的影响。受到设备体积的限制,这些设备的制造商无法使用更大容量的电池。显示屏的选择一直受限于续航时间,甚至许多可穿戴设备直接抛弃了屏幕。

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电池技术的突破一直是尖端难题

在移动时代,电池技术成为重中之重,甚至可以说没有电池就没有移动时代。然而,续航能力薄弱等问题存在于移动设备的电池中,电池技术的突破一直是尖端难题,从而制约了移动时代的进一步发展。所以研究人员一直在探索更加有效的发电能源,以期提升续航能力。

索尼在1991年首次实现了锂离子电池的商业化,而移动设备如今所使用的电池依然基于相同的技术。当然,锂电池技术的确得到了改良,但续航方面的提升在很大程度上并非来自于电池本身,而是通过使用更节能的硬件和软件所实现的。

目前依然没有一种新型电池可以替代锂离子电池,研究者也认为我们不应对此抱有过高期待。卡内基梅隆大学的JayWhitacre认为,至少在未来几年里,“锂离子(电池)依然是主流”。他还补充道:“现有的解决方案无法帮助科技公司增加自己的电池预算”。所谓电池预算,指的是科技公司在设计一款新设备时对于电池能力的要求、

Whitacre认为,我们必须该清楚如何使用新型电池材料。虽然研究者都在实验各种新型材料,但还没有人真正开发出一种设计实际、可投入市场应用、并大幅提升手机和笔记本续航的的电池。就目前公开的信息而言,还没有任何一种电池技术能够把手机变成每周一充。

是因为提升电池效率和提升处理性能完全不是一回事。电池问题实际上是基础化学和物理问题。“看看元素周期表你就知道,可使用的材料数量并不多。”以色列技术公司StoreDot总裁DoronMyersdorf说道。电池并不遵循摩尔定律,你并不是每隔两年就能把容量加倍。

在认识到这方面的问题之后,一些技术公司开始将重心转移到别的方面:大幅缩短充电时间。这是为了改变消费者心理。如果用户能够在很短的时间内给设备充满电或充入大量的电源,那么他们对于续航的焦虑将可大幅减轻。

三星发布的几款新手机可在30分钟之内充入50%的电源,而苹果99美元(约合人民币642元)的ApplePencil手写笔只要充电15秒就能使用30分钟。高通也将快速充电技术整合到了自己的移动处理器当中,其最新版本号称可将充电速度提高4倍。

但是,StoreDot所带来的提升或许是最让人印象深刻的。这家技术公司号称对传统电池和充电器同时进行了重新设计,全新“有机材料”的使用可在几分钟之内就充入可让手机电池使用一天的足够电能。

稳妥的电池技术得以商用,未来存在更多可能

当然,这并不是说电池技术领域可以为求稳妥而停滞不前。相反,为了使电池技术不再成为移动时代发展的阻力,应该更大胆地去利用一切可能利用的能源为电池技术的进步提供动力。现在已经有相关的研究,并且也取得了进展。

1、新型的液流电池

日前,美国哈佛大学的研究团队研发出了一种新型的液流电池。该团队表示,这种液流电池不仅可用于智能手机领域,还可被用于包括可再生能源在内的新型能源应用领域。

哈佛大学的团队是由材料与能源科技教授Michael Aziz及化学与材料科学教授Roy Gordon所领导的。他们所研究的新型液流电池基于一种中性PH水溶液中的有机分子进行发电,其安全性与寿命皆优于目前的电池产品。该电池其规模可大可小,设计灵活;液流电池寿命长;液流电池安全性极高。

尽管液流电池有如此多的优势,且有一定规模的生产和应用,但目前并未看到其大规模的投入商用和进入消费级市场,原因在于液流电池自身存在的局限性颇多。

2、石墨烯技术的锂离子电池

在当今的新兴电池技术中,石墨烯电池技术算是比较稳妥的。去年年底,华为在第57届日本电池大会上推出了首个应用了石墨烯技术的锂离子电池。这种电池借助了新型的耐高温技术,可将锂离子电池的上限温度提高10度,其使用寿命也达到了普通锂离子电池的2倍。

相比于尚处研发中的新型液流电池,石墨烯似乎更靠谱一些。当然,石墨烯本身也存在着一些局限性,但毕竟已经在智能设备中得以应用。

因此就目前的情况来看,石墨烯会在下一阶段更多地被应用于提升电池技术之中。在电池技术发展的道路上,一蹴而就是行不通的,而通过稳妥的、成熟的技术逐渐进行过渡,应该会取得更好的效果。

3、新的发电方法

比如日前美国宾夕法尼亚大学的科研团队研制出了新的发电方法,利用化石燃料发电厂排放的二氧化碳与空气中的二氧化碳形成的浓度差发电。这种名为“流动单元”的装置产生的平均功率密度为0.82瓦/平方米,高于以前近似方法获得值的200倍左右。该研究成果已发表在最新一期的《环境科学和技术》杂志上。

芬兰科学家也在研究如何利用动能、热能及太阳能为设备供电方面取得了一些进展。研究人员研发了一种名为KBNNO的铁电材料,将热量及压力转化为电力。芬兰 University of Oulu(卢奥大学)的研究人员则利用钙钛矿晶体结构从多个能量源中提取能量,并希望能够通过研究收集到更多的能量。

这种设备的制造过程并不复杂,一旦找到了最佳材料,在之后的几年就有可能将这一技术投入商用。如果这种设想得以实现,我们可能不必再将移动设备插入插座上充电,而是从自然能量中获得源源不断的电力,实现真正的能源清洁。

4、苹果申请燃料电池相关技术专利

今天美国专利商标局发布一份来自苹果的专利申请,苹果的发明披露其又进一步改进了之前的与燃料电池相关技术的发明。 通常来讲,燃料电池以及与之相关联的燃料可以潜在地获得高容积和高重量能量密度,这可以潜在地允许便携式电子设备持续运行数日甚至数周而无需再次填注燃料。如果苹果可以率先利用这样一种可充电式能源系统,那么这将是一种改变游戏规则的技术飞跃。

小结

通过以上成果可以作乐观的预测,未来在电池领域将会出现更多的新技术,它们可以提升电池的利用率、续航能力等要素。在电池技术乃至任何一种技术的发展道路上,既需要稳妥成熟的前行,也需要大胆前卫的创新,二者结合才可能更好地推动移动时代的进一步发展。

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