手機電池的發展遇到了什麼瓶頸？現在出現了比較靠譜的新技術嗎？

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手機電池感覺近幾年都沒有太大的發展，倒是各個廠商都開始另闢蹊徑研究快充、無線充電，但終歸解決不了耗電的問題。所以到底是什麼制約著手機電池的發展？現在有出現一些比較靠譜的電池新技術、新材料嗎？

跟自己的專業相關，也答一個吧。

其實這題基本上是有標準答案的，深度懶惰者看這裡：

電池技術為什麼如此高深莫測，以至於一直是手機等相關行業的短板？ - 哥淡定的回答 - 知乎

究竟是什麼限制了電池的容量？ - 陳遠威的回答 - 知乎

但是因為最近量產了比較火熱的新聞，我覺得有些問題該澄清的還是要澄清。

可能在各位讀者看來，這只不過生活中再常見不過的東西了：

商業化的鋰離子電池原理也很簡單，人盡皆知：鋰離子在正負極之間來回穿梭，簡稱「搖椅」電池。

但是答主卻花費了大量時間來研究這個東西（的一部分），甚至電化學這整一門學科也一直貫穿在鋰離子電池這個領域，難以自拔。究其原因：系統太過複雜。

但就跨越的學科而言，這個領域至少囊括了以下維度：

1.材料化學

2.固體物理（含結構化學）

3.電化學

4.化工原理

然而因為現在生活方式對於掌上設備是這樣的依賴、軟體功能發展是這樣的迅速、互聯網上的生活是這樣的精彩，人們才意識到，花擦，怎麼老是要充電？這傻逼扁片怎麼這麼難伺候？

鋰離子電池的能量密度成為了你掌上生活揮之不去的附骨之蛆，a real pain in the ass······

然而，任何事物發展都是有（大量的）時間積累，電池也赫然在列。

熟悉科學史的朋友都知道，在1940年以前，鋅錳類（Zn/MnO2）的一次電池牢牢佔據著電子消費類產品的市場，直到60年代那會，鹼性鋅錳電池（Zn/KOH/MnO2）還是消費類的大當家，不過質量能量密度已經可以從40Wh/kg提升到100Wh/kg了，當然，即便是現在，鹼性鋅錳電池這種一次電池因為自身的低成本，還是能在很多地方得到發揮。然後就是一次的鋰/二氧化錳電池（Li/MnO2等等）和鋅空氣電池（Zn-Air）在70年代的悄然冒頭（其實人家也是在實驗室內不斷成熟完善），直接把質量比能量翻了一倍，提升到了250Wh/kg的水平。再來到80年代，一次的鋰/二氧化硫（Li/SO2）和鋰亞硫醯氯（Li/SOCl2）電池在特殊領域被開發出來，而電池的質量比能量直達380Wh/kg。而事實上，乾性聚合物電解質鋰電池在80年代業已萌芽，它們的質量能量密度範圍大致在220~280Wh/kg內，只不過這個分支一直處在研發階段而且被視作二次電池，各種緣由就按下不表了。看下圖：

截圖來自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

回過頭來，可充電的鉛酸電池已經經歷了商業化的100多個年頭，而其質量能量密度也只是從最初的25Wh/kg漸漸的爬到先今的55Wh/kg，但是因為它具有較高的可靠性、低成本、適中的功率密度、可接受的循環性能等等優勢，鉛酸電池現在依舊是許多電動設備啟動點火程序以及各種備用電池的主要選擇。鎳鎘電池在鎳氫電池和鋰離子電池主導的90年代以前，一直是許多小型攜帶型電子設備的主要能源提供者，當然了，因為自身對環境所造成的衝擊也導致其後續的市場份額大幅下滑。在80年代的早期，一種可充電式的鈉硫電池被開發出來，在300°C的溫度下，它能發揮出100~150Wh/kg的質量能量密度。如今，鈉硫電池也是為負載調衡所用的大型固定電池的多種選擇之一。鎳氫電池帶著50~80Wh/kg的能量密度輕輕地出現在1989年的市場上，幾乎兩年之後，它就見到了從索尼公司商業化的鋰離子電池，電池的質量能量密度也穩中有升地從90Wh/kg漲到210Wh/kg。

從1950年到2010年這60年間，對於商業化的二次電池，它們的質量能量密度平均是每年增長3Wh/kg，如下圖所示：

截圖來自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

按照這個增長率，從現有的210Wh/kg（2010年）要達到New Energy and Industrial Technology

Development Organization（新能源及產業技術開發機構，以下簡稱NEDO）的500Wh/kg和700Wh/kg這兩個目視可及的質量能量密度指標，分別需要再過100年和167年，也就是2110年和2177年。更加現實的說，在1990年到2010年這20年間的電儲能系統的質量能量密度增長率因為鋰離子電池的被發明和改進而被加速至年均5.5Wh/kg的速度，在上圖中的實線段中顯示。即便是根據這個速度，要達到NEDO的500Wh/kg和700Wh/kg這兩個目標也分別要等到2064年和2100年。

在上面兩張圖內，大家也看到了，電池體系的能量密度以20~30年的區間段為一個穩定增長期，直到下一個新技術出現期為止。

縱觀電池發展的歷史，電池能量密度的提升往往是突變型的，採用新型的電池材料體系和結構設計，是可以大幅提高電池的能量密度，然而即便如此，從實驗室的創新到產業的研發、開發再到商業化，路途漫漫，因為這中間容不得半點造假和糊弄！

就拿納米材料來說，確實具備很多的有點，也可以在很多方面提升電池的性能（倍率性能、循環性能等等），然則其界面過大而產生的多重副反應以及其高昂的合成成本必須是企業考量產業化的兩個重要指標。

再多說兩句，最近一段時間以來，由於電池的重要性提高，新能源的口號響亮，持續有電池能量密度或者超級快充的大新聞出現，很多讀者需要有一定的辨別力來去偽存真。

我先為大家提供知乎上四條非常好的「正三觀」答案：

如何解讀新聞「中國科學家研製出石墨烯超強電池：充電 7 秒續航 35 公里」？

「世界首款石墨烯基鋰離子技術產品於 7 月 8 日在北京釣魚台發布問世」對電池行業有多大的影響？

石墨烯，尤其是石墨烯電池的未來前景如何？ - 弗雷劉的回答 - 知乎

如何看待近日《自然》刊登戴宏傑教授在鋁電池上的工作？ - 哥淡定的回答 - 知乎

再者，電池體系是由電池材料上進行的主要反應（電子轉移反應）綜合而成，這也意味著每一種正負極材料的組合都具有一定的理論能量密度的上限，然而，因為實際體系中存在的大量的電化學複雜問題，最後的實際能量密度可能會對摺甚至更低，大家不妨看看，幾大類電池中，鋰離子電池最常用的鈷酸鋰（LiCoO2）體系的能量密度實際/理論比是最高的，為58%：

截圖來自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

由於氟不便於利用，所以沒有必要去做鋰氟電池，上表中也沒有數據，鋰空氣電池沒有數據的問題放到下面再說。

先今的很多方法實際上是對成品中活性物質質量的增加以及電池電極成分比例的改進，以提高體系的質量能量密度，但這種方法也逐漸接近極限（再改的話連著設備和結構也得改），這幾年的能量密度增長有減緩的趨勢。

來看這個反應：

你可以知道這個反應的吉布斯自由能：

根據能斯特方程的變形，我們可以得到電動勢與吉布斯自由能的關係：

除以兩個反應物的摩爾質量按照化學計量比的加和可以得到質量比能量：

根據法拉第定律，你還可以得到這個體系的理論比容量：

大家翻翻物理化學下冊附錄中的電極反應標準電動勢，轉移電子的數目，可以得到李泓老師他們計算得到的以下體系的理論能量密度：

截圖來自Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

把它們可視化以後，如下圖：

目前來看，鋰氧電池最具有潛力，但是因為空氣電極需要大量的導電添加劑和催化劑，能量密度的實際/理論比值肯定沒有鋰離子電池鈷酸鋰體系要高，不可能到達58%。另外，對於容量較大的電池來說，還需要包括電池管理系統、線纜、冷卻系統、感測器、固定框架或者保護罩等等，能量密度的實際/理論比值還會顯著降低，因此鋰氧電池有些虛高的理論比容量其實嚇不了多少人。根據李泓老師他們的推測，鋰氧電池的電芯的質量能量密度約為500Wh/kg左右。

去年，寶馬公司的技術人員在《Journal of Materials Chemistry A》上面撰寫了一篇綜述，名為「Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective」，個人覺得還不錯，他們是從產業的視角來考量現在電池正極材料的趨勢（特別是改良的方向），並且按照現在不同的反應機理給出了不同體系的理論與實際容量，理論與實際電壓的對比：

圖片來自http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/ta/c5ta00361j

很明顯的，能量密度也並不是唯一的指標，產業界還需要同時兼具以下性能：

拋去複雜的電化學環境不談，百尺竿頭的今天，對於能量密度的哪怕是一丁點的安全提升都應該是喜大普奔。

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參考資料：

《鋰電池基礎科學問題（I）——化學儲能電池理論能量密度的估算》

Future generations of cathode materials: an automotive industry perspective

Thermodynamic analysis on energy densities of batteries

把我一篇文章中的內容搬過來吧，可以回答第一個問題。

手機電池的發展遇到了什麼瓶頸？

要回答這個問題，首先要知道手機電池到底要發展什麼，或者用戶的訴求是什麼？無非就是這兩個方面：一個是電池容量大小，還有一個就是充電速度。

先來說說電池容量，大部分用戶為了續航會追求更大的電池容量，那麼電池容量的大小是由什麼因素來決定的？電池容量x電池電壓=電池能量密度x電池體積。電池體積又受到這幾個方面的影響，一個是整機的大小，一個是機身的厚度，還有一個就是一些細節設計，比如 OnePlus 3T 的設計規範是為了電池安全，電池不能離手機外框輪廓太近，以免手機跌落時損壞電池，這樣電池體積就有可能縮水。所以決定電池容量大小的因素就是電池能量密度+電池體積。

這樣看起來是不是很簡單？我們只要單純地提升電池能量密度或者把機身做厚、電池體積增大就可以提升電池容量了，那為什麼現在很難做到呢？

這個又要從三方面說起，一個是「安全」，一個是「材料」，還有一個是「平衡」。

先來說提升電池能量密度的風險，為了保證電池的容量足夠大，電池能量密度肯定是越大越好，但是任何事情都是物極必反的，電池能量密度增加也有可能帶來風險。

電池能量密度增加的風險主要有這幾個方面，一個是手機從結構上來說是一個很理想的爆炸體，另一個是提升能量密度過程中的工藝更改帶來的不確定性。學理科的同學都知道爆炸的原因就是能量聚集在一個密閉的空間內擴散不出去，所以手機是一個很典型的「爆炸體」，尤其是金屬手機。現在很多手機都做了防水，內部會更加密閉，所以手機內部如果有什麼劇烈的化學反應的話，非常容易爆炸。爆炸的威力就跟電池的容量有關，所以電池能量密度越高的話，在手機這個小空間內，爆炸的威力就越大；還有一些問題不是電池能量密度本身的，而是廠商為了追求電池能量密度，會適當地更改電池的製作工藝，這些更改可能引進一些安全問題。舉個例子：電芯內部有一層隔膜用來隔離電芯的正負極，一旦隔膜戳破就會導致正負極材料短路產生劇烈的化學反應，從而引起起火爆炸。但是，隔膜對電芯的容量是沒有貢獻的。所以，為了提高電池容量，需要將隔膜減薄，這個必然會在一定程度上提高電池發生危險的可能性。所以，對於一種新工藝電池，沒有經過市場大規模驗證，我們不認為它是一個成熟可靠的產品，哪怕廠家多有信心，實驗室數據多完美。

那麼「材料」和「平衡」呢？

這是一個行業性的問題，電池的能量密度提升遇到了很大的困難，除非換掉電池的材料，我們現在所使用的鋰電池的能量密度基本短期內已經很難有重大發展了。

平衡的話要從好幾個方面說起，一個是充電速度，現在我們 3400mAh 的電池採用了 4A 的適配器充電，這已經很高了，再往上提高充電電流的話，電池就會發熱，但是現在手機機身發熱也是一個很嚴重的問題。如果想降低電池的發熱，又得降低電池的內阻，但是降低內阻就需要加寬或加厚導體，這就會導致電池能量密度也降低了，這就成了一個矛盾體。那如果增大電池體積呢？這樣的話機身厚度、大小又有可能增加很多，對於現在追求「手感」「纖薄」的用戶來說，似乎也是行不通的。

所以電池發展遇到的瓶頸不是說某一方面做不到，而是要同時兼顧到這幾個因素：電池能量密度、充電速度、安全性、體積，這幾個是一個平衡體。強制去提高某一項肯定可以做到，比如說單純只提升電池能量密度，但是提高了就會下降另外一項，不可能所有都追求完美，只能取一個平衡點，這就是困難之處。

第二個問題缺少具體的了解，所以就不回答了。

以上言論是個人觀點，如果有異議歡迎交流討論~

看了很多知友的回答，都很精彩。

這裡說一個個人的觀點，供大家參考。

我認為與其說在電池技術上取得突破，還不如寄希望於無線充電技術的突破。如果哪天無線充電就像今天的wifi一樣普及，那麼對電池續航的要求也就沒那麼高了，在有信號的地方保持浮充狀態就行。

個人觀點，不喜勿噴，謝謝。

散熱是個蠻頭痛的問題。

一兩節電池也就算了，

幾百節放在一起就很可觀了。

甚至大的電池堆，外部邊緣就有上百瓦發熱功率。

這不是電池好壞的問題，只要是電池，這點是沒辦法避免的。

而電動車要求電池組要達到IP67的防水等級。

基本就是全部包裹，

露出來的頭都要額外加以密封處理，

做到高壓水槍噴上去也滴水不漏。

而這樣的布置方式，

導致熱量更出不來了。

風冷不了解。

水冷要分主動散熱和被動散熱。

區別就是裡面的冷卻液是否流動。

一般來說，還是不流動的比較多。

因為這個涉及到介面問題。

在車載環境中，震動頻率低，容易和零部件產生共振。

對於電池組這種極其零散的組合，

後果是非常可怕的。

而如果用普通接頭和水冷設備鏈接，

這個連接點就顯得格外脆弱。

特別是現在很多用銅質或者鋁合金接頭。

損壞的更容易。

本身可靠性很難得以提升。

整車來說，可靠性是一個木桶效應的。

最短板，特別是關鍵的動力部分可靠性偏低，

整車的可靠性就低的很厲害。

所以電池組散熱這個問題，簡單的看只是散熱。

放到整車工作環境里，

那就是個不得了的大問題。

。。。。。

寫完了才發現是手機電池。。。

看新聞說NASA有重大改動的核電池明年就可以投入使用

這是nasa的官網鏈接

http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6646

原理不是聚變和裂變而是衰變，原料是鈷。

預計使用壽命比現在的17年再多50%。。。。

a spacecraft outfitted with an eMMRTG would have at least 50 percent more power at the end of a 17-year design life than it does today.其實核電池一直都有，但就無法小型化，看這篇文章的意思有重大突破，如果後續能開發出民用版那就是翻天覆地顛覆人類文明的變化了。。。

要是能用脂肪給手機發電那該多好~ ˙?˙

就是因為手機太薄了。

要是增加厚度的話手機的一切性能都會大漲，然而公司不造我也沒辦法。

就現在的技術而言，手機電池使用三年（每兩天一充電），三年時間後你們的手機待機還會在1天半左右。

這裡暫時不舉例那些尚未應用於實際的各種流弊電池，就鋰離子電池而言，打到這種水平在現在只能說是極普通。

為什麼不應用？

我咋知道，一個手機用三年手機商賺不賺錢啊。

手機容量的問題，主要取決於材料。不是不可能提高，而是新材料的研發需要一定的時間。現有的商業產品都是對比千萬種材料，才獲得的結果。相比於工藝的發展，材料的改進需要較為漫長的時間。

第一塊鋰電池至1991年上市才25年。正極為鈷酸鋰，負極為石墨。

現有的正極材料還有三元材料，錳酸鋰，磷酸鐵鋰這3種。其他的都還在研發中。這三類材料都不能完全取代鈷酸鋰，所以研發中的材料基本還在找。負極也是。所以在沒有材料的重大突破中，大家的工藝都只是在「修修補補」。

對於新材料的研發，大家一直都在元素周期表上尋找。比如便宜點的鈉離子電池，容量高一點的鎂離子電池，鋁離子電池等，或者鋰空氣電池，鋰硫電池。但是這些體系的建立，需要大量的基礎研究。雖然有很多天才加入，但是大量的人才都湧入到價格更高的計算機金融行業。甚至有所謂的過來人，還勸說學材料的人趕緊跳出坑。所以當吃瓜群眾說電池容量怎麼不能快速提高的時候，我想說，你行你上呀。

不過呢，主要原因還是化學所利用的只是核外價電子，對於內層電子利用不到，導致能量的不足。怎麼利用內核電子呢？這是物理學家的事^_^

華為的軟文沒看見，倒是看見幾個迫不及待跳出來的小丑。

如高票所言，現在手機已經相當精密了，目前的手機已經達到了一種瓶頸，在突破性的新技術出現以前，現在的電池改進都是擠牙膏，一點一點改進，要權衡的東西太多了，這不是一句話兩句話能說清楚的，順便一提，就算華為那個新的5v8a的快充，也不算什麼革命性的進步，馬上出爐的qc4.0大概也會達到類似的技術水平。

已經等著被扣帽子了

強答一波吧，具體的原因高票已經說的很清楚了那麼我再從另外的一個方面再說一下。

因為蘋果。

沒錯，因為作為智能手機的鼻祖，蘋果一直努力的方向就是儘可能的讓手機變薄。

假設哪怕是明天電池技術真的取得了突破。我也敢說蘋果會用先進的電池技術給iPhone減少一兩毫米的厚度而不是增加一倍的續航……

那麼僅僅是蘋果的問題嗎？其實安卓也有這個問題就是因為蘋果是現在的智能機老大，所以基本上一切都跟著蘋果學。

當然了這一點蘋果其實是很無辜的，我又沒強制你們非得跟我學變薄……

換言之，因為手機廠商為了能夠讓手機變得更薄而放棄了大電量，然而實際上至少對於我來說再增加一兩百克重量真不是啥大問題……

容量提升，負極硅碳提升石墨容量密度

就是容量提不上去啊。

電池技術不同晶元，晶元改進個工藝能把運算速度提上去，那是因為原來的堆積密度沒達到極限。

電池的能量密度受制於材料，對鋰電來說，能量密度再高就要炸了，那怎麼提升？

這塊的新技術很多，好像鋁電之類的，但還只限於實驗室，還沒進入工業化階段，誰先搞出來就是未來的巨頭。

這個東西可比編個軟體要看運氣和儲備，畢竟能做這些方向的人才不多，很多也因為工資待遇低沒有選擇科研方向。

化學電池基本上已經到頂，新的理論還沒有出現。電池要麼能量密度大（未來的核電池），要麼充電快（超級電容，但能量密度還太低）。個人認為超級電容最有可能先突破，充電快，物理屬性，不容易爆炸。《高能量密度超級電容結構》一文中提出的改進可以極大的提高單體耐壓，從而提高能量密度，若該結構可行，鋰電池就會成為歷史。

新結構是將現有超級電容結構中的隔膜更換為離子與電子均不允許通過的新材質隔膜。新材質隔膜不允許離子與電子通過，將電解液完全隔離。因正負電極所接觸的電解液完全隔離，在隔膜擊穿電壓內電解液就不會發生分解，從而提高單體耐壓，極大的增加超級電容能量密度。

原文鏈接：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/26055116?utm_source=zhihuutm_medium=social

體積和散熱

目前材料體系的開發已經到了現有的極限，下一代的體系並不穩定，所以新材料的開發是下一步的重點

在2016世界移動大會(MWC)上海展上，新開闢的石墨烯展區異常火爆。首次設立的石墨烯展區成為一大亮點，吸引了碳谷集團、第六元素和諾貝爾物理學獎得主等知名企業、專家攜最新產品、技術參展，包括諸多根據石墨烯特性衍生出的創新產品，如柔性手機、快速充電電池、超薄感測器等。目前，石墨烯主要以粉體和薄膜兩種形式存在。石墨烯粉體主要應用於新材料領域和能源領域，如防腐塗料、散熱材料、鋰離子電池等。石墨烯薄膜應用於電子領域、環境領域和醫藥領域等，如觸控屏、電子元器件等。

來自英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所項目負責人IvanBuckley對記者表示：「這兩天我們幾乎一刻不停，前來問詢的人絡繹不絕。人們對於石墨烯的好奇心非常強烈，他們可能不了解這種材料背後的原理，但是我們會告訴他們，用石墨烯製成的燈泡，更加節能，可以連續發光幾千個小時。」

記者在曼徹斯特大學的展區見到了可調光石墨烯燈泡，燈泡內有燈絲形狀的LED燈，LED燈的外層被塗上石墨烯，石墨烯的導電能力強，可減少10%的能耗。Buckley向記者介紹：「最近英國曼徹斯特大學的國家級石墨烯研究所研製出了全新的石墨烯燈泡，擁有比LED燈泡更堅固的結構和更低廉的價格，一個燈泡可能就10英鎊左右，能用很長時間。」

就在白熾燈被LED燈泡逐步取代的時候，這種新型石墨烯燈泡即將為照明技術帶來又一次革新。英國曼徹斯特大學的國家級石墨烯研究所去年就開始了石墨烯燈泡的商業化。英國財政大臣奧斯本也對該項目讚賞有加。這種新型石墨烯燈泡仍基於LED技術研發，通過神奇的石墨烯分子大大增強其性能和使用壽命。

不同分子結構的石墨烯能夠為不同用途的下游產品提供原材料。記者看到中國碳谷的展台上陳列著不同形態結構的石墨烯分子，有PE纖維、聚醯胺纖維、防腐塗料、鋰離子電池、分離複合材料以及催化材料等。中國碳谷首席科學家戴加龍對表示：「根據結構的需要，能夠給下游生產者進行匹配。比如防腐塗料，國家海洋研究院正在應用，能夠讓船體至少20年不生鏽。再比如石墨烯改性鋰離子電池，能夠實現快速充電。海綿加上石墨烯後，能夠實現油水分離，另外石墨烯還能成為3D列印原料，國家納米中心也在使用。」（轉）

其實就題主這一塊，我們日常使用的都是鋰離子電池。這玩意在理論上就是有上限的。畢竟電池作為一個儲能器件，僅僅是相當一個杯子，每一個杯子就代表一種不同材料組成的電池，材料越好杯子就越大，但是說到底還是不能無限蓄水。大概就這麼樣的意思吧

正在研究

為什麼不把太陽能膜做在手機的背板上，邊用邊充電，不是虧電了找充電器，做成光電雙充不是更現實。