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手机电池中的科学知识

时间:2015年06月19日      作者      点击

化学原理

移动设备中使用的电池是化学工程的杰作:将大量的电量存储在一个小小的方块中,就可以让移动设备持续运行好几个小时。它是怎么工作的?如何才能发挥它的最大效用?

现代移动设备多数都使用锂电池,主要包含两个部分:一对电极和存在于它们之间的电解液。电极的材料有很多种,可以是锂,也可以是石墨,甚至可以是纳米线,但无一例外都要依赖锂这种化学成分。这是一种活性金属,因此容易与其他元素合成。纯锂的活性极高,甚至会在空气中自燃,所以多数电池都使用更加安全的钴酸锂。

两个电极之间是电解液,通常是一种液态有机溶剂,使得电子可以在其中流动。当锂电池充电时,钴酸锂分子可以俘获电子,然后在电池使用过程中释放电子,从而支持手机的运行。

锂电池是最常见的一种电池,因为它可以在最小的空间内存储最多的电量。这需要通过能量密度来衡量,也就是每千克电池所能存储的电量,以瓦时(wh)为单位。锂电池的能量密度一般在150250瓦时/千克之间,而镍氢电池仅为100瓦时/千克。换句话说,锂电池比其他类型的电池更小、更轻,因此能够压缩设备的体积,但依然可以保持较长的电池续航时间。

上述化学过程可以归纳如下:设备中的电池可以存储电量,之后,内部的化学物质便会以任何可能的方式释放电量。但这同样会出现问题,例如,最新的波音787梦想客机的电池就会在飞机停靠时出现着火故障。

这是锂电池的缺陷之一:倘若电池放电过度,内部的化学物质便会分解,生成过量的氧化锂,从而燃烧,并生成更多的氧化锂,如此反复。化学家称之为热失控,普通人看到的是着火,这也是波音787被美国航空管理局(FAA)禁飞的原因。由于电池被刺破后也会发生同样的情况,因此美国运输安全管理局(TSA)建议飞机乘客将电池小心放置于随身行李中,而不要托运。

电池容量

电池容量的单位是毫安时(mAh),代表的是一块电池所能提供的整体电量。例如,倘若一块电池容量为1000毫安时,便可以在1小时内持续供应1000毫安的电流。如果你的设备电流为500毫安,那么这块电池的使用时间大约为2小时。

不过,一款设备的电池续航时间要更加复杂一些,因为特定设备的具体耗电量取决于它所执行的任务。倘若这款设备的屏幕点亮、无线传输功能开启、处理器全速运行,便会比屏幕关闭、无线传输功能关闭、处理器闲置时消耗更多的电量。

正因如此,消费者应当更加谨慎地对待厂商宣称的电池续航时间——他们可能会通过调低屏幕亮度,或是关闭部分组件的方式来延长续航时间。如果你感到好奇,可以使用一些专门的应用来监测移动设备的耗电量和电池状态,Android中的Battery MonitorWidgetiOS中的Baterry Life Pro都可以实现。

控制电流

由于有可能着火,所以必须对锂电池进行严密控制。电池厂商通过充电控制器来管理电流,从而实现这一目的。事实上,每一块电池都内置有一台小型电脑来防止其过度放电。这个组件还可以控制充电期间进入到电池中的电流,在即将充满时放缓电流,避免过度充电。

手机充电时,最后一部分电量需要花费更长时间才能充满

为了展示这一过程,我们对三星Galaxy Note手机进行了充电,并测量了整个过程中的电流,而且与对应的电量比例进行了对比。从上图可以看出,充电初期的电流最高,之后逐渐降低。最后一部分电量的充电时间很长,原因是控制器在放缓电流,避免电池过冲。

未来发展

电池技术一直在进步,全球各地的很多实验室都在研究新的电池技术,以便取代锂电池,或是开发更高级的锂电池技术。

在这些新技术中,很多都用到了超级电容,从而在瞬间存储电量,然后瞬间释放,效果类似于闪光灯。由于几乎不涉及化学反应,超级电容可以大幅加快充电时间,但目前的超级电容只能在一瞬间释放电量,不符合多数移动设备的要求。

Nectar燃料电池

能够利用氢元素发电的燃料电池也将很快诞生。今年1月的拉斯维加斯国际消费电子展(CES)上展示的Nectar燃料电池系统可以使用10美元的燃料桶来支持手机运行两个星期。然而,燃料电池的体积还不够小,无法安装在手机中——Nectar系统只能为手机内置的锂电池充电,但却无法取代锂电池。

硫磺最终也有可能用到锂电池中。美国斯坦福大学的科学家最近就开发了一种电池技术,可以利用纳米技术将硫磺加入到现有的化学成分中,最高能将锂电池的能量密度提升5倍,而且还能延长使用寿命。不过,这种技术无法在几年内投入市场。

注:本文转自新浪网(sina.com.cn)

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