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智能手机电池对策(完)电池编:实现700Wh/L的能量密度,10年后主角仍是锂电池

锂电中国浏览量:10345时间:2012-05-17 09:31:26

“智能手机中各种器件的耗电量激增,与电池容量完全失衡”——电池厂商的技术人员这样抱怨道。因为终端厂商“对电池的期待超过了电池的潜能”。

目前,智能手机用锂离子充电电池单位体积的能量密度为500Wh/L左右(图1)。与首次在手机中采用锂离子充电电池的1995年相比性能得到了提高,容量已经增加至约2.5倍。

图1:锂离子充电电池时代将会持续

1995年开始用于手机的锂离子充电电池,目前单位体积的能量密度已经提高至500Wh/L左右。虽然预计能量密度的增长率会减缓,但今后仍会作为智能手机电源使用。2012年以后的值为本刊推测。

虽然锂离子充电电池目前仍在推进开发,不过大多数观点都认为,今后容量实现大幅增加的可能性比较低。据某电池技术人员透露,电池厂商的目标是“稳步开发,力争今后10年使容量增加3~4成左右”。也就是说,目标是2020年前后实现650~700Wh/L左右的容量。

当然,为大幅提高能量密度,还出现了开发“后锂电池”的动向(后锂离子充电电池的有力候补是锂空气电池和锂硫磺(Li-S)电池。与目前的锂离子充电电池相比,锂空气电池的理论值是其15倍以上,Li-S电池是其10倍以上,均有望大幅提高能量密度)。

不过技术方面难度较高,目前存在的课题还堆积如山。后锂离子充电电池的实用化需要10年左右的开发时间。因此,要想消除用户对智能手机电池耐久性的不满,除了提高现有锂离子充电电池的性能以外别无他法。

内置大容量电池

开发主要有三大方向(图2)。(1)电池的高容量化、(2)支持快速充电、(3)支持无线供电。(2)和(3)是从提高用户易用性的角度出发进行开发的。

图2:电池开发有三大方向

消除用户对电池耐久性不满的方法除了提高电池容量外,还可以通过快速充电和无线供电来解决。

  在这三大方向中,最主要的是(1)高容量化。提高电池耐久性最简单的方法应该就是为智能手机配备更大型的充电电池。美国摩托罗拉移动公司就从这个观点出发开发出了新机型。该公司2012年1月上市了“DROID RAZR MAXX”,作为智能手机配备了前所未有的3300mAh大容量锂离子充电电池(图3)。

图3:内置3300mAh的大容量电池

摩托罗拉移动开发出了配备3300mAh大容量锂离子充电电池的智能手机“DROID RAZR MAXX”(a)。该公司在2012年1月举行的“2012 International CES”上首次公开了产品,强调了通话时间之长等(b)。

DROID RAZR MAXX是以最薄部为7.1mm的“DROID RAZR”为原型开发的机型。DROID RAZR的充电电池容量为1780mAh。RAZR MAXX在只比RAZR厚出1.9mm的机身上配备了容量约为其1.9倍的充电电池。

能够配备如此大容量电池的主要原因是采用了层压型锂离子充电电池,并且采用电池无法取出的内置方式。通过内置,能在机身内的大面积空间放置电池。另外,还省去了取出式电池所需的外装部件。

层压型与以往手机中主要采用的方型产品相比,形状自由度较高。“层压型可以根据终端定制形状,因此随着智能手机的普及,客户的咨询越来越多”。在开发层压型电池的索尼负责便携终端用锂离子充电电池业务的牛山直幸(索尼能源设备第1事业部门业务2部 统括部长)这样说道。

在终端中内置电池时,重要的是要确保充分的充放电循环寿命,以及抑制充放电导致的膨张和收缩。寿命方面,“以前充放电500次后能维持60%的容量即可,而现在需要在充放电1000次后仍保持80%的容量”(牛山)。

对硅和锡等负极材料寄予厚望

电池自身的高容量化方面,目前已开始改进材料。其中,负极材料的改变备受期待。因为正极材料方面没有发现能实现高容量化的候补材料。而负极材料通过将现有锂离子充电电池使用的石墨变更为硅(Si)和锡(Sn)等合金材料,有望大幅提高性能。

硅和锡拥有石墨仅10倍的理论容量。虽然实用案例有限,不过日立麦克赛尔能源(当时为日立麦克赛尔)2010年先于其他公司开始面向智能手机供货采用硅类负极材料的锂离子充电电池。好像主要得到了海外厂商智能手机的配备。与采用石墨的原产品相比,容量提高了约10%。

一般情况下,如果采用硅和锡等材料,与原产品相比单元电压会降低,因此需要降低放电终止电压以提高容量(表1)。为此,终端厂商方面需要使终端的电源系统支持低电压驱动,这就需要部件等大幅变更设计。而“仅仅为了提高数十%的电池容量就变更部件设计是不可能的”(某手机运营商的技术人员),这是手机行业的“常识”。原因是,“变更智能手机的平台需要进行数百亿日元的投资”(该技术人员)。

以低电压驱动部件会有强大的电阻,因此在电池侧进行应对是采用硅和锡等负极材料时的必要条件。日立麦克赛尔能源为了使充电电压和工作电压与以往的锂离子充电电池相同,改良了正极材料和电解液。

硅和锡等材料因充放电而产生的体积变化较大,存在充放电循环寿命短的课题。另外,内置于终端时不允许电池膨胀。如果是方型产品的话,可以通过密封压力在一定程度上吸收膨胀。而层压型由于是在气压下封装,因此容易发生体积变化,“技术方面的难度较高”(索尼能源设备第1事业部门商品设计2部统括部长星野谦一)。

作为抑制膨胀的方法之一,日本瑞翁(Zeon)开发出了用于硅类负极材料的水性粘合剂。现已开始样品供货。

确保安全性是首要任务

推进锂离子充电电池的高容量化时,必须要注意的是确保安全性。回顾过去,NTT DoCoMo的手机在2006~2007年前后曾经频繁发生锂离子充电电池异常发热和起火事故。其原因包括,较以往的4.2V提高了充电电压、为填充更多的电极活性物质而简化了部分安全机构等。

制造事故电池的厂商不得不召回问题电池,NTT DoCoMo还一度“严令暂停提高电池组能量密度的开发”(业界相关人士)。由于有了前车之鉴,“虽然因智能手机市场的迅速崛起,对增加容量的要求很强烈,但开发仍很慎重”(电池技术人员)。

从提高电池安全性的观点来看,正确掌握电池剩余电量的方法最为有效。锂离子充电电池在过充电和过放电等状态下会发生膨胀和温度上升等,从而导致劣化。因此,最新的智能手机陆续配备了可高精度测量电池剩余电量的IC。

提高用户便利性的方向

作为提高电池容量以外的对策,目前正在推进旨在提高用户便利性的快速充电和无线供电。如果能将以前需要1~2个小时的充电时间缩短至10分钟左右,或者只需放在桌子上即可充电,用户的充电次数自然就会增加。这样一来,即使电池容量没有增加,也可以消除用户对电池耐久性的不满。

不过,快速充电和无线供电存在会加速电池劣化的缺点。目前已经出现几项可以改善该缺点的技术。

例如,NTT DoCoMo和NEC共同在“CEATEC JAPAN 2011”上公开了可用10分钟快速充电的智能手机用移动电源。将锂离子充电电池的负极材料由石墨换成了具有出色的长寿命特性和输入输出特性的钛酸锂(Li4Ti5O12,LTO)。

另外还有改良电池电极构造的方法。提出该技术的是西野专业工程师事务所的技术顾问西野敦。随着对快速充电、无线供电及高电压化等的要求不断提高,“必须具备低电阻化和高耐压化技术”(西野)。

因此,西野开发出了在集电体电极上的导电层和活性物质层之间设置相互扩散层的新电极构造(图4)。采用该构造,可将电极电阻降至1/2~1/10。

图4:追加相互扩散层

西野专业工程师事务所提出了将电极电阻降至1/2~1/10的电极构造。其一大特点是,在集电体电极上的导电层和活性物质层之间设置了相互扩散层。(图由本刊根据西野专业工程师事务所的数据制作)

利用双电层电容器

此外,还有通过与其他电子部件组合使用来防止劣化的方法。比如与双电层电容器的组合使用。锂离子充电电池会因剧烈的电压变化而发生劣化。而双电层电容器即使反复充放电容量也不容易变化,而且内部电阻较小,因此可输入输出大电流。

如果利用该特性,可以实现通过双电层电容器平均电压变化,然后再通入锂离子充电电池等的方法(图5)。电动汽车已经开始讨论该方法,不过西野吃惊地表示,“智能手机技术人员中甚至有很多人从没想过利用双电层电容器”。

图5:抑制电池输出功率的变

锂离子充电电池如果输出功率大幅变化会造成劣化。通过与双电层电容器组合使用,可以抑制锂离子充电电池的输出功率变动。(图由本刊根据西野专业工程师事务所的数据制作)

智能手机用双电层电容器可以使用414型(直径3.8mm×厚度1.4mm)和311型(直径2.8mm×厚度1.1mm)等超小型产品。在配备数量较多的机型中,每部终端会使用8~12个。不过,目前这些双电层电容器主要用于高速启动应用等,大多都没有用于防止锂离子充电电池的劣化。

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