化學(xué)原理

移動(dòng)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(chǔ)在一個(gè)小小的方塊中，就可以讓移動(dòng)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行好幾個(gè)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(dòng)設(shè)備多數(shù)都使用鋰電池，主要包含兩個(gè)部分：一對(duì)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(xiàn)，但無(wú)一例外都要依賴(lài)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)诳諝庵凶匀迹远鄶?shù)電池都使用更加安全的鈷酸鋰。

兩個(gè)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(dòng)。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(guò)程中釋放電子，從而支持手機(jī)的運(yùn)行。

鋰電池是最常見(jiàn)的一種電池，因?yàn)樗梢栽谧钚〉目臻g內(nèi)存儲(chǔ)最多的電量。這需要通過(guò)能量密度來(lái)衡量，也就是每千克電池所能存儲(chǔ)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(huà)說(shuō)，鋰電池比其他類(lèi)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(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。

上述化學(xué)過(guò)程可以歸納如下：設(shè)備中的電池可以存儲(chǔ)電量，之后，內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)便會(huì)以任何可能的方式釋放電量。但這同樣會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，例如，最新的波音787夢(mèng)想客機(jī)的電池就會(huì)在飛機(jī)停靠時(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(guò)度，內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)便會(huì)分解，生成過(guò)量的氧化鋰，從而燃燒，并生成更多的氧化鋰，如此反復(fù)。化學(xué)家稱(chēng)之為“熱失控”，普通人看到的是著火，這也是波音787被美國(guó)特種管理局(FAA)禁飛的原因。由于電池被刺破后也會(huì)發(fā)生同樣的情況，因此美國(guó)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(guò)，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(wú)線(xiàn)傳輸功能開(kāi)啟、處理器全速運(yùn)行，便會(huì)比屏幕關(guān)閉、無(wú)線(xiàn)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(duì)待廠(chǎng)商宣稱(chēng)的電池續(xù)航時(shí)間——他們可能會(huì)通過(guò)調(diào)低屏幕亮度，或是關(guān)閉部分組件的方式來(lái)延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。如果你感到好奇，可以使用一些專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用來(lái)監(jiān)測(cè)移動(dòng)設(shè)備的耗電量和電池狀態(tài)，Android中的BatteryMonitorWidget和iOS中的BaterryLifePro都可以實(shí)現(xiàn)。

控制電流

由于有可能著火，所以必須對(duì)鋰電池進(jìn)行嚴(yán)密控制。電池廠(chǎng)商通過(guò)充電控制器來(lái)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(tái)小型電腦來(lái)防止其過(guò)度放電。這個(gè)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(mǎn)時(shí)放緩電流，避免過(guò)度充電。

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

為了展示這一過(guò)程，我們對(duì)三星GalaxyNote手機(jī)進(jìn)行了充電，并測(cè)量了整個(gè)過(guò)程中的電流，而且與對(duì)應(yīng)的電量比例進(jìn)行了對(duì)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(zhǎng)，原因是控制器在放緩電流，避免電池過(guò)沖。

未來(lái)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(kāi)發(fā)更高級(jí)的鋰電池技術(shù)。

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

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(guó)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(lái)支持手機(jī)運(yùn)行兩個(gè)星期。然而，燃料電池的體積還不夠小，無(wú)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(wú)法取代鋰電池。

硫磺最終也有可能用到鋰電池中。美國(guó)斯坦福大學(xué)的科學(xué)家最近就開(kāi)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(zhǎng)使用壽命。不過(guò)，這種技術(shù)無(wú)法在幾年內(nèi)投入市場(chǎng)。