最近，隨著蘋果公司新IPhone5S和5C開始在全球發售，這兩款新智能手機的電池配置再次吸引了中國鋰電產業界的極大關注。拆機顯示IPhone5S的上限充電電壓還是4.3V，并沒有象很多人預期的那樣升高到4.35V甚至4.4V。就這個大家都很感興趣的話題，筆者在這里結合自己在鋰電方面的生產實踐以及與蘋果公司相關人員的研討交流，跟大家探討一下蘋果IPhone和IPad鋰離子電池的發展現狀與趨勢。

對于IPhone和IPad這樣的高端便攜式電子設備而言，如何在保證安全性和循環性的前提下盡可能地提高能量密度，是其電池發展的首要方向。事實上，這個指導原則始終貫穿于蘋果在電池材料的選擇以及電池設計等諸多方面的創新和實踐。

電池設計創新

蘋果在電池設計方面最大創新就是摒棄鋁殼而采用軟包電池并且將鋰電內置到電子設備里面，從而徹底顛覆了消費者可以自行更換電池的傳統手機模式，為此蘋果公司專門申請了國際專利。

采用重量輕的軟包電池并且內置的好處就是最大限度地利用手機內部極其有限的空間來增加電池尺寸，從而提高了電池的能量。但是與此同時，電池內置對電池循環壽命(100%DOD至少循環500次)和安全性提出了更高的要求。這些因素無疑對電池生產廠家都是嚴峻的挑戰，只有具備相當技術水平的大公司才能勝任。

電池內置同樣對蘋果而言是個很大考驗，因為鋰電將一直保留在手機里面直到手機被機主淘汰，那么如何處理廢手機包括電池帶來的環境污染，就成了擺在蘋果面前的一個很現實問題。畢竟像蘋果這樣的頂級跨國公司，必須承擔相應的社會責任和道義。那么，蘋果和全球最具實力的貴重金屬和有色金屬的回收公司比利時Umicore達成戰略合作就不足為奇了。

所以筆者認為，電池內置這個看似不起眼的創新背后，蘋果是基于戰略的考量。使用軟包電池并且電池內置現在已經成為高端智能手機的標配，蘋果又一次引領行業標準和潮流。

正極材料的選擇

鈷酸鋰(LCO)一直是高端移動設備鋰離子電池的主流正極材料。受到蘋果IPhone和IPad的強勁需求拉動，LCO的最近幾年的年產量一直穩步增加仍然高居正極材料頭把交椅，并且這種格局在未來數年之內很難改變。LCO從1990年產業化至今一直在發展，直到今天仍然在改進完善，堪稱鋰電材料發展史上的最經典案例。

蘋果對鋰電發展的最大貢獻就是充分發掘了LCO的高壓潛力，給了LCO過時論取代論的“專家”們一記響亮的耳光！

從最開始的高壓實LCO(壓實4.1，全電4.1V，145mAh/g容量)，發展到IPhone4上的第一代高壓LCO(4.2V全電，155mAh/g容量)，到應用在IPhone5上第二代高壓LCO(4.3V全電，超過165mAh/g容量)，以及正在開發完善中的第三代高壓LCO體系(4.4V全電，接近175mAh/g容量)。雖然充電上限電壓每次僅僅提高了0.1V，但背后需要的技術積累和進步，卻很少有國內正極材料廠家具備。

第一階段4.2V的改性相對比較容易，原理主要是摻雜改性，三四年前國外公司已經產業化。第二階段4.3/4.4V技術難度更高，需要體相摻雜+表面包覆并用，于是就發展出了“InsulateCathode”的概念，目前國際上已經有少數大公司產業化。

高壓LCO改性元素主要是Mg、Al、Ti、Zr等幾種，基本上已經公開，但是不同元素的作用機理并不一樣。高端LCO技術的關鍵在于摻雜什么元素，如何摻雜，以及摻雜的量的多少。同樣，表面包覆的難點首先在于選擇什么樣的包覆物，再就是采用什么樣的包覆方法以及包覆量多少的問題。干法摻雜和包覆目前是主流，但也有公司在前驅體階段進行濕法改性的。根據不同的摻雜和包覆要求，優化溫度和燒結工序以及表面再處理工藝，這是高壓LCO生產的核心技術。廠家需要根據自己的技術積累和經濟狀況來選擇適當的技術路線。

IPad4電池所使用的正極材料和IPone5還不大一樣。IPhone用的是20微米大粒徑的高壓LCO，而IPad用的是10微米粒徑的高壓LCO和NMC532的混合材料(混合比例為6：4)。為什么IPhone5和IPad4用的材料不一樣？手機較高的工作/關機電壓和追求高能量密度使得高端LCO成為IPhone5的必然選擇。而IPad利潤率沒有IPhone高，可以選擇較低成本的混合材料，在降低關機電壓的條件下還可以利用NMC釋放更高的容量，可謂一舉兩得。

IPad4和IPone5電池實際能量密度差不多都接近230wh/Kg，這正是因為IPad降低了關機電壓因而可以充分利用NMC在較低電壓區間的容量。LCO和NMC不是簡單的物理混合，而是混合以后在較低的溫度(600～700℃)經過了一個短暫的二次燒結過程。由于元素的相互擴散，使得在混合材料里NMC的產氣問題得到一定的抑制，高溫存儲壽命也有所提高，同時LCO的安全性也改善了，這些可以歸功于協同效應。所以，IPad4使用4.35V的上限充電電壓也就不難理解了。

高電壓LCO專利由加拿大FMC公司申請，但FMC并沒有實際生產LCO，而是將專利所有權轉讓給了比利時Umicore，然后國際上有數家公司間接獲得使用授權。國內既沒有任何公司購買FMC專利使用授權也沒有任何相關專利發表。蘋果公司出于知識產權方面顧慮，已經對幾個電池廠家指定材料，國內的正極材料廠家基本上已被排除在蘋果供應鏈之外。當然，國內這兩年國產智能手機和平板電腦產業發展很快，如果只是國內市場而不出口的的話，國產高壓LCO還是有生存空間的。高端LCO在國內能否發展起來，就看國產智能手機和平板電腦產業能否真正做起來和Apple和Samsung三分天下了。

生產工藝的革新

高壓LCO電池是個系統，需要高壓電解液和生產工藝綜合配套才能充分發揮高電壓LCO的高能量密度優勢。

對高壓LCO電芯，最為關鍵的是與之配套的高壓電解液和電池生產工藝，這將直接關系到電芯的循環性和高溫荷電能力以及安全性等關鍵問題。4.3V的高壓電解液目前基本上比較成熟，幾個國際電解液大廠都可以供貨。但是實事求是而言，4.4V高壓電解液還有待進一步發展完善。SONY和Samsung(目前已退出蘋果電池供應鏈)還發展了一種比較獨特的凝膠(gel)電解質，對提高LCO高溫荷電能力和安全性有一定的效果。

除了高壓電解液方面的進步，為了進一步提高安全性，這幾個公司(ATL、力神、SONY和LG)還從正極或者負極涂覆膜上下了很大功夫。

有的公司選擇在正極表面涂覆納米氧化鋁涂層，也有公司選擇在負極表面涂覆，目的都是為了提高在高電壓下的安全性。納米氧化鋁涂層的基本原理就是在電池熱失控而導致膈膜熔斷的情況下，起到機械隔離正負極而防止直接短路的目的。至于當前國內炒作得很熱門的陶瓷涂覆膈膜，據筆者了解到的情況，蘋果電池目前還沒有采用。目前IPhone5和IPad4都用的是改性天然石墨，在負極上并沒有什么亮點，主要是因為石墨負極成熟度非常高的原因。

發展趨勢

下一代IPhone電池將仍然使用高壓LCO，因為LCO的高能量密度目前仍然是其它商業化正極材料無法匹敵的，但是我們仍然要認識到LCO電芯在高壓下的安全性問題。不管是用固相法還是液相法，都很難做到LCO表面完全被一層氧化物均勻并且完整地包覆，這個技術難題就決定了LCO的上限充電電壓不能很高，否則LCO晶體結構坍塌和電解液的氧化分解將不可避免。

全電池4.4V應該是LCO的實際應用上限，更高電壓下循環性和安全性都不能保證，尤其是在55度測試條件下。事實上，高端LCO全電池4.4V接近175的實際容量發揮，體積能量密度在近期是沒有其它正極材料可以超越的。

對鋰電而言安全性在任何時候都是比其它指標更重要的考量。畢竟電芯工藝和高壓電解液還不是那么成熟，還需要進一步消化改進完善，所以高壓LCO的路線還是要一步一個臺階穩扎穩打。從這個角度考慮，我們就不難理解為什么IPhone5S的上限充電電壓還是4.3V而沒有提升到4.35V。應該說，蘋果在IPhone5S堅持了比IPhone5更嚴格的安全標準。

據了解，IPhone電池不是沒出過問題，只是出了問題通過公關擺平了外界不知道而已。現在蘋果已經認識到安全性的重要性，他們希望執行更嚴格的標準，所以我們看到了IPhone5S的上限充電電壓穩定在4.3V而沒有像很多人預期的那樣到更高壓。

最近SamsungSDI一批國內某廠代工的4.35V高壓電芯因為質量問題被召回，也間接地驗證了高壓LCO電池面臨的安全性隱患。下一代IPhone6的上限充電電壓將會達到4.35V，然后維持一兩年以后，再繼續升高到4.4V。考慮到國內智能機廠家的跟進，高壓LCO將還會有四五年的黃金發展時期。之后，將可能是高壓三元材料(全電4.5V)的進一步補充和發展。

蘋果一向以技術創新作為盈利的主要增長點，在電池領域也不例外。事實上，蘋果非常關注電池領域的新技術，太陽能電池，透明鋰離子電池，可彎曲鋰離子電池，全固態鋰離子電池以及鋰硫電池都已經進入了蘋果關注的視線。筆者個人預測，透明太陽能電池+鋰電這個新電源模式，在不遠的將來有可能在蘋果新一代IPad或者IPhone上獲得實際應用。

鋰電產業界的每一點小小的進步，都凝聚著很多人的不懈努力而來之不易。穩扎穩打一步一個腳印，是產業界的不二法則。蘋果在IPhone和IPad電池上堅持創新和務實并重的態度，很值得我們學習。