續(xù)航、安全和性能

影響智能手機(jī)體驗(yàn)的核心要素都有哪些？更強(qiáng)的性能、更完美的拍照成像效果、更流暢的系統(tǒng)和更豐富的功能，除了上述這些因素外，持久的續(xù)航自然也是重中之重。提到續(xù)航，我們都知道它受電池牽制，但你可曾想過，電池除了影響待機(jī)和安全外，還有可能成為手機(jī)性能的拖累嗎？

電池容量遭遇瓶頸

對智能手機(jī)而言，其內(nèi)置鋰電池默認(rèn)的工作電壓都是標(biāo)準(zhǔn)的3.7V，在屏幕和其他硬件參數(shù)相似的情況下，更大的電池容量就等于更持久的續(xù)航潛力。

技術(shù)革新腳步放緩

對手機(jī)電池而言，電解質(zhì)和陰陽極材料是決定性能指標(biāo)的核心。在過去的幾十年中，電池的材料技術(shù)經(jīng)歷過幾次革新，比如“大哥大”時(shí)期的鎳鎘電池和鎳氫電池、功能機(jī)時(shí)代的鋰離子電池、智能手機(jī)時(shí)代的鋰離子聚合物電池等（圖1）。

然而，電池技術(shù)可不像半導(dǎo)體芯片擁有“摩爾定律”的光環(huán)，別說18個(gè)月翻一番了，180個(gè)月能有所提升就謝天謝地了。隨著智能手機(jī)屏幕越來越大、性能越來越強(qiáng)，想保持至少一天一充的續(xù)航下限，就只有暴力增加電池容量這一條出路了。

能量密度的安全上限

根據(jù)“電池容量=能量密度×電池體積”的公式來看，在由正極材料鈷酸鋰（LiCoO2）+電解質(zhì)+隔離膜+負(fù)極材料石墨這四種主流電池構(gòu)成材料沒有替代品之前，只有想辦法提升電池能量密度和電池體積（圖2）。問題來了，智能手機(jī)如今都在追求更輕更薄的設(shè)計(jì)，留給電池的空間自然受限，想無限提升電池體積并不現(xiàn)實(shí)。

另一方面，鋰電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會帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。比如三星在2016年推出的Galaxy Note 7就曾遭遇“爆炸門”事件（圖3），原因就是為了在有限體積的電池里提升能量密度，三星重新設(shè)置了電池規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，盡管三星對其提供了多種保護(hù)，但全新設(shè)計(jì)的電池依舊遇到了麻煩。

具體來說，三星設(shè)計(jì)師為了給Galaxy Note7塞進(jìn)更大的電池，不得不采用偏緊湊的機(jī)身設(shè)計(jì)。在一松一緊之間，三星加入了用CNC加工的保護(hù)罩，但顯然這種設(shè)計(jì)并沒有奏效。由于這種過于激進(jìn)的設(shè)計(jì)，用戶在平常的使用中也可能出現(xiàn)電池受到過度擠壓的情況，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部短路進(jìn)而著火甚至爆炸（圖4）。

在這種大環(huán)境下，5.5英寸16∶9屏幕或采用6英寸18∶9全面屏設(shè)計(jì)的手機(jī)要想保持7.5mm厚、170g重的輕盈身材，電池容量就只能保持在3000mAh左右。那些市面上標(biāo)配4000mAh或5000mAh電池的產(chǎn)品，普遍沒有太過性感的身材，不是重量超標(biāo)就是厚度超標(biāo)。

1+1雙電池參上

為了彌補(bǔ)難以增大的電池帶來的續(xù)航壓力，各種快速充電技術(shù)和系統(tǒng)層面的省電優(yōu)化技術(shù)層出不窮。與此同時(shí)，在電池層面也涌現(xiàn)出了一種全新的設(shè)計(jì)方案，那就是雙電池模塊設(shè)計(jì)。

雙電池永不斷電

最早引入雙電池概念的智能手機(jī)可以追溯到夏新在2012年推出的N808，這款產(chǎn)品內(nèi)置一大一小兩個(gè)電池倉（圖5），可以同時(shí)安裝1630mAh+900mAh兩塊電池實(shí)現(xiàn)2530mAh的總?cè)萘浚▓D6），從而獲得超越同期競品的續(xù)航能力。

而這款產(chǎn)品雙電設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處是：在手機(jī)正常使用中可以替換其中一塊電池，而另一塊電池依舊可以保持手機(jī)的正常使用，從而實(shí)現(xiàn)持久待機(jī)永不斷電的夢想。不過，如今的智能手機(jī)都已經(jīng)過渡到不可拆卸的內(nèi)置鋰電設(shè)計(jì)了，這種雙電思路已經(jīng)被歷史淘汰。

雙電池安全擴(kuò)容

金立在M 5和M 2 017為了詮釋“超級續(xù)航”的賣點(diǎn)，分別內(nèi)置6020mAh和7000mAh電池，雖然犧牲了輕薄卻無需再為待機(jī)擔(dān)憂。問題來了，前文我們已經(jīng)提到，無休止地提升電池能量密度存在較大的安全隱患。因此，這兩款手機(jī)內(nèi)部分別采用了3010mAh+3010mAh和3500mAh+3500mAh電芯并聯(lián)的雙電池方案（圖7），并將它們?nèi)胪粔K電池容積中。

如此設(shè)計(jì)既有利于減小單一電池模組的體積，同時(shí)一分為二的電芯還可減少大量活躍電離子在一起時(shí)的能變效應(yīng)，減少長時(shí)間使用或充電過程中的發(fā)熱和不穩(wěn)定現(xiàn)象。對容量大于5000mAh的手機(jī)電池而言，這種雙電芯設(shè)計(jì)可最大限度提升安全性。

雙電池優(yōu)化結(jié)構(gòu)

需要注意的是，雙電池設(shè)計(jì)不一定是為了單純的增強(qiáng)續(xù)航。以蘋果最新5.8英寸全面屏版的iPhone X為例，這款產(chǎn)品就內(nèi)置了L型的雙并聯(lián)電芯（圖8），總?cè)萘窟_(dá)到了2700mAh（圖9）。雖然較之上代5.5英寸的iPhone 7 Plus的2900mAh少了200mAh，但請不要忘記，iPhone X的體積只比4.7英寸iPhone 7略大一點(diǎn)，而容量卻比iPhone 7內(nèi)置的1960mAh電池足足增加了740mAh！

實(shí)際上，iPhone X這種L型雙電池方案的設(shè)計(jì)初衷還考慮到了主板、內(nèi)存、電話卡、攝像頭、喇叭等一切配件的合理布局，為在超薄的機(jī)身里實(shí)現(xiàn)雙層堆疊的PCB主板和無線充電線圈騰挪出了足夠的空間。endprint

有了iPhone X的示范作用，未來L型雙電池和雙層堆疊的PCB主板很可能會出現(xiàn)在Android手機(jī)陣營中，而雙電池并聯(lián)還能解決超大電池的安全隱患。在電池材料技術(shù)沒有進(jìn)一步的革新之前，這類取巧的方案就成為了最為現(xiàn)實(shí)的改善續(xù)航的研究方向。

留心使用環(huán)境的影響

同一款手機(jī)在不同地區(qū)使用的續(xù)航能力通常會出現(xiàn)一定的差距，難道是電池性能也要分“人品”？答案自然是否定的，這類尷尬的背后，往往是不同的使用環(huán)境造成的。

極端溫度是大忌

溫度對電池的內(nèi)阻、充電性能、放電性能、安全性、壽命等都會造成不同程度的影響。具體來說，鋰電池對0℃～40℃這個(gè)區(qū)間內(nèi)的溫度并不敏感，然而一旦超過這個(gè)區(qū)間，電池的壽命和容量就大打折扣。特別是在低溫環(huán)境下鋰離子活動(dòng)會變得遲緩，需要更大的電壓驅(qū)動(dòng)才能進(jìn)行正常工作，翻譯過來就是環(huán)境越冷手機(jī)續(xù)航時(shí)間就越短。

此外，如果溫度過低，鋰電池負(fù)極上嵌套的鋰離子會產(chǎn)生離子結(jié)晶，如果刺穿隔膜就就容易造成微短路而影響電池安全。因此，不少手機(jī)內(nèi)置的電源管理芯片會對超低溫環(huán)境加以限制，比如無法開機(jī)或無法充電，只有溫度提升到安全的閾值后才能繼續(xù)使用。

正視電池耗損問題

手機(jī)電池通常是石墨或類似材料做負(fù)極，充電時(shí)鋰離子會插入到石墨中，放電時(shí)鋰離子又從石墨中抽出來，我們使用手機(jī)的過程中電池內(nèi)部就在不斷重復(fù)這個(gè)動(dòng)作（圖10）。問題來了，長時(shí)間重復(fù)這種動(dòng)作會造成石墨材料的結(jié)構(gòu)松動(dòng)，讓其中嵌入鋰離子的能力越來越弱，翻譯過來就是能充入的電量逐漸變少，這就是電池耗損問題產(chǎn)生的根源所在。

手機(jī)電池耗損的問題是不可逆的，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，一般鋰電池可以確保反復(fù)300次～500次的充放電后還能保持80%以上的電量。當(dāng)然，這個(gè)數(shù)據(jù)不是絕對的，如果你習(xí)慣在充電時(shí)玩游戲、長時(shí)間在溫度過高或過低的環(huán)境下使用手機(jī)、使用劣質(zhì)充電頭給手機(jī)充電，或多或少都會加速電池耗損的進(jìn)程。

不要小看電池耗損問題哦，因?yàn)樗赡苓€會帶來一系列的后續(xù)尷尬。

電池耗損對性能的影響

很多iPhone 6/6s用戶都會發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，隨著使用時(shí)間的推移，手機(jī)的性能似乎也在逐漸下降，特別是在升級最新iOS系統(tǒng)版本后還會出現(xiàn)明顯的卡頓現(xiàn)象。而這類問題背后的元兇，可能就是耗損的電池。

換電池讓老iPhone滿血復(fù)活

很多國內(nèi)外用戶都在反映一個(gè)有趣的現(xiàn)象：變得越來越卡的老iPhone手機(jī)，在更換全新電池后可以“原地滿血復(fù)活”，大幅提升使用的流暢度。為了將這個(gè)現(xiàn)象量化，有iPhone 6S用戶使用Geekbench 4軟件進(jìn)行了跑分對比：在更換電池前iPhone 6S單核/多核成績?yōu)?466和2512，更換電池后性能倍增，達(dá)到了2526和4456的分?jǐn)?shù)，還原了iPhone 6S本應(yīng)有的性能表現(xiàn)（圖11）。

耗損的電池來背鍋

面對網(wǎng)友的質(zhì)疑，蘋果公司隨后發(fā)表了聲明，證實(shí)他們真的在系統(tǒng)中加入了對iPhone 6、iPhone 6s和iPhone SE的降頻規(guī)則，目的正是解決電池老化、電壓不足引起的自動(dòng)關(guān)機(jī)問題。

具體來說，當(dāng)老版本iPhone的電池耗損超過某個(gè)閾值后，新版本的iOS系統(tǒng)就會強(qiáng)制CPU大幅降頻，用來延長手機(jī)的續(xù)航時(shí)間，并避免因耗損電池的電壓過低而在冬天里出現(xiàn)無法開機(jī)的問題。以iPhone 6s為例，CPU主頻會隨著電池耗損被限制在600MHz、900MHz和1.8GHz等多種頻率上，自然就會出現(xiàn)云泥之別的性能表現(xiàn)（圖12）。

如果從更技術(shù)性的角度分析，隨著電池耗損問題的加劇，其工作電壓會逐漸降低?，F(xiàn)在智能手機(jī)電池的默認(rèn)電壓都是3.7V，充滿電是4.2V（充電截止電壓），放完電是3.6V左右（放電截止電壓）。很多老手機(jī)的電池剛充電到4V甚至更低就顯示已充滿。

電池工作電壓下降，所能輸出的功率自然也會降低，不能滿足CPU滿血運(yùn)行的瞬間功率，CPU性能自然就會下降。這就好比很多游戲筆記本使用電池玩游戲時(shí)睿頻加速會失效，只有接上電源才能滿血運(yùn)行的原理一樣，電池輸出功率“帶不動(dòng)”CPU和GPU的滿負(fù)載運(yùn)行需求。

因此，對正在使用iPhone 6/6s時(shí)期蘋果手機(jī)的用戶（也包括Android老手機(jī)），當(dāng)發(fā)現(xiàn)手機(jī)變卡變慢性能降低、在恢復(fù)出廠設(shè)置無效的時(shí)候，不妨考慮換塊全新的原裝電池，說不定就能在一定程度上改善性能呢。endprint