2009年,苹果重新设计了MacBook Pro,发布了一款新型电池,电量续航能力比前一型号电池高出40%。该电池供电时长达7小时,足够把史诗电影《阿拉伯的劳伦斯》从头至尾看两遍。苹果营销总监Phil Schiller称之为“革命性” 电池,果真如此吗?

近二十多年来,科技飞速发展。计算机从电子管元件时代演变成今天的超大规模集成电路,往日笨拙巨大的计算机如今小到能装进我们的口袋中。一款新型智能手表的运算能力甚至强于阿波罗登月飞行器。但如今电池的发展则是另一种态势。

苹果或三星的消费电子产品制造商们为了开发出续航更强的电池,投入了数百万美元研发资金。虽然电池技术在未来几年不会取得革命性发展,但那些依赖电池的新产品却会层出不穷。电池发展为什么会滞后?很多研究人员表示他们已经遇到瓶颈,而使用电池供能设备的用户则对电池的续航能力要求越来越高。

革新之路

Envia Systems公司位于美国加州,专注研发高能电池。从1995年起历经十多年发展,在2007年才实现电池储能翻一倍。此后,电池储能增幅再没能超过30%。Envia公司表示,2021年前多数电池电量不会翻倍。

但如今一台普通的平板电脑能持续运行10小时,而在美国总统奥巴马第一任期期间的电池续航仅能为4小时,怎么回事?

通常,科技发展的动力来自两个方面:追求设备的小巧便携性和完善与之配套的软件。

电脑的核心是微处理器。比如 Facebook更新并提示朋友圈信息,这个过程中芯片会进行复杂的运算。几十年来,处理器的体积越来越小,耗能也越少,电池寿命就更长。

电池则不同,它是金属和化学材料的组合体。虽然采用化学材料使电池体积小了,但并不意味着更好。就好比喝一杯酒:你倒进去的酒少了,能喝到的自然也少了。如今,电池的发展主要依赖新材料,从镍电池发展成如今的锂电池,电池续航力得到显著提升。

当代电池发展领域的大科学家John Goodenough表示:“目前的研究着重于提升锂电池性能,但电池发展已然遇到瓶颈。”

Goodenough 在1979年宣布电池发展取得重大突破,虽然如今研究电池的人员比当时更多,可是科学家们仍没有头绪。需要更先进的技术才能设计出能续航一周的手机电池,

锂电池发展

电池的发展可追溯至18世纪。当时科学家们偶然发现,通过向两个覆盖金属片涂层的容器中添入盐水,插入金属棒就能收集静电。手指触碰容器外部,另一只手触碰金属棒,能瞬间感受到嗞的一声电流。

Henry Schlesinger 在《电池:便携电源引发科技革命》一书中将摆弄这些电源设备的科学家比作“莱顿瓶 ”。英国著名诗人雪莱就是其中之一,他曾鼓励他的姐姐、妻子玛丽一起探索。玛丽的小说《弗兰肯斯坦》中还将电作为主要情景道具。

都2014年了,为何电池技术还停留在90年代?-唯轮网

而就在《弗兰肯斯坦》被人们广泛传阅前不久,意大利物理学家Alessandro Volta(伏特)发明了第一个电池,称为伏打电堆。该电池通过锌板和铜板导电,电解质为盐水,两极被浸泡在盐水中的布料或纸板隔开。

如今的电池原理也大体相同。拆分电池可看出,一极是由金属材质构成,比如锂;另一极通常为碳棒。两极之间也与伏特200年前所用的布隔板类似:用胶封的塑料块隔开两极,但仍可能有电子通过。

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接线形成环路或通电后,电流经过环路。像灯泡亮起、音响发声或汽车解锁发声的瞬间。

当今最受欢迎的、应用最广泛的是锂离子充电电池,已有20来年的发展历史。

市场

据法国知名研究机构Avicenne Energy估计,在1990年,随着锂离子电池的兴起,世界电池需求量接近20万千瓦/小时,相当于444亿节Energizer Ultimate 5号锂电池,连起来足够绕地球57圈。2013年,电池需求量翻了一倍。

Lux Research公司预计称,到2020年,仅设备供电的电池开销费用将达266亿美元,同比今年上涨近30%。其中多数需求来自于手机和平板电脑,未来六年对电池的需求量涨幅将超过45%。交通工具的电池开销,比如电动车,将会增至209亿美元。

电池市场利润如此丰厚,许多研究人员也在加紧研发步伐,但成果甚微。

再者,几乎所有大型研发机构都转向研究电动车和电网领域了。 比如科技巨头IBM,在美国加州圣何塞市拥有一支科学家团队研发电池技术。2009年, IBM斥资50万美元打造“电池500”项目:研发一款电池,能驱动电动车500英里之远。能一次性从旧金山开到洛杉矶,还会有电量剩余。

该项目中的电池并非利用了锂离子电池中常见的碳棒和其它金属,他们称之为锂—空气电池,原理是在容器内注满空气,与金属锂相互作用产生电能。如果项目测试成功,该款新电池的重量要比普通电池轻一半。

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但锂—空气电池有个限制条件:持续供能和重复充电要求注入没有杂质的纯净空气。而我们呼吸的空气往往有污染物和水分。IBM电池研究员Winfried Wilcke称:“我们需要机器来净化空气,由此会增加电池的体积、重量及复杂度。”

麻省理工学院和德克萨斯大学的研究员们在考虑硅、硫和钠材料。但其中多数的研发首要考虑为汽车设计电池。要实现该技术为消费电子产品供能尚需几年。

在锂离子电池的研发方面,今年七月斯坦福大学称他们已设计出一款纯锂电池,能储存更多能量,但仍有待完善。

某些科学家认为电池的发展前景非常惨淡,举步维艰。研究员Wilcke表示:“目前的研究没有形成一定的数量级。”但加州 Imergy Power Systems电池公司Bill Watkins很乐观:“永远不要低估拿着一大笔钱的一群高精尖人才。”

面对现实

令人欣慰的是,这些电池公司并未踌躇不前,而是一边等待新电池技术的来临,一边在努力拓展电池寿命。

苹果公司的许多进步得益于软件。如2013年年底发布的 OS X Mavericks桌面操作系统:多屏显示,输出的信息可以在多个屏幕间显示,各个屏幕间不会干扰,可以独立操作。

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苹果还有一款“timers”软件, 在电脑低能耗模式下,唤醒电脑芯片,以完成指定任务,与Mavericks操作系统结合使用,减少了处理器72%的活动,让电脑运行更高效。

今年发布的OS X Yosemite加入了更多节能功能。用户在MacBook Air上能拥有额外两小时的电池续航,足以看一部1080p高清电影。

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三星设计了“超级省电模式”功能,让Galaxy S5 手机的电池续航上限达12.5天。该模式下,手机屏幕转为灰黑界面,并限制app、通话、短信以及上网功能。

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三星SDI公司目前尝试着设计更安全、续航更强劲的电池。三星公司还在研究用固体材料取代封胶和液体隔层,减少炸裂风险,并计划在2015年发布该系列电池。

同样地,苹果也在努力研发高能电池。2009年,Schiller 宣布MacBook的电池取得突破性进展,原先的机身下的方形电池块被像拼图图块式的电池所取代,分布在机身空间内。苹果的这款电池设计也打破了老规矩,让用户能自行取出电池,也腾出了电池筒和保护壳的空间。

也许Schiller会称之为革新,也许革新带来的仅仅只有这些微小变化。0

via cnet