为什么你的手机电量还是不够用？

现在的手机，电池容量很多都达到了4000mAh以上，这意味着它们用起来更持久（当然一些手机的新芯片也在节电方面做足了功夫），但手机轻了，自然手感也好，不同品牌的设计理念，各有千秋吧。

手机，从最初的大哥大，到现在的智能机，电池容量的变化已经不是攀升了，而是飞跃，但我们对电池的焦虑，却一点都没减轻，我们日益先进的电池，为什么就无法满足人们不断增长的续航需求呢？

手机发展史，也是一部电池焦虑史

1973年，美国摩托罗拉工程师马丁·库帕发明了世界上第一部真正的手机，不过，使用这部手机，与其是说在打电话，不如说是在举铁，因为它足足有2千克重。

库帕这款手机的重量和它之前那些所谓的“手机”比起来，还是轻了很多，要知道，瑞典埃里克森公司在上世纪50年代的“手机”，光电池就有近40千克，这已经不是用手就能使用的了。

10年后，我们所熟知的“大哥大”诞生了。作为人类第一款商用手机，它的重量也不轻，差不多有0.9千克。

在“大哥大”那巨大的身材里，有一半都是电池，但它的电池容量只有500mAh，而且需要10小时才能充满，充满后却只能打30分钟电话，真正做到了“充电2小时，通话5分钟”。

“大哥大”使用的电池是镍镉电池，这种电池在上世纪80年代已经非常先进了。镍镉电池顾名思义，阴阳两极一头是镍（正极，2NiOOH），一头是镉（负极，Cd），电池溶液是氢氧化钠（NaOH），电池放电时，负极的镉与两个OH-反应放出2个电子，在正极形成2个新的OH-，以保证电池溶液浓度不变。

▲ 镍镉电池工作原理。制图/张雨晨

和第一代可充放电的铅蓄电池（未曾用于手机）比，镍镉电池体积小，电流大，而且反复充放个500次都没问题，当然，它也有许多缺点，比如电池容易发热，镉元素有毒，不好回收等等，但这些问题都没有记忆效应严重。

所谓记忆效应，就是电池在电量没有全部用光的时候就充电的话，容量会变小。比如你经常在还剩50%电的时候开始充电，久而久之电池就会“认为”电池的最低电量就是50%。

对于只能支持半个小时通话的大哥大来说，记忆效应是致命的，致命到你甚至想扔掉这款价值上万美元的手机。记忆效应的阴影甚至影响到了现在，很多人在使用今天的锂电池时，还会不自主地认为：电放干净再充对手机才好（其实恰恰相反）。

1989年，新一代镍氢电池的商用化才缓解了记忆效应带来的电量尴尬。镍氢电池无毒，虽然有记忆效应但很容易恢复，而且它容量量更大：一款1997年推出的搭载镍氢电池的手机，电池容量已经达到了1300mAh。

但是，镍氢电池也有自己的问题，它发热量大，不用的时候漏电很厉害——即使关机了，也不能阻止电池把电耗光。因此，镍氢电池随着手机之光——锂电池的逐渐商用，也被取而代之了。

手机之光——锂电池

1991年，锂离子电池，也就是我们常说的锂电池首次进入商用领域，手机终于获得了持久而稳定的续航。可以说，如果没有锂电池的加持，就没有今天功能强劲的手机和五花八门的APP。

锂电池和镍镉电池、镍氢电池不一样，后两者在充放电的时候，都是电子和OH-来回跑，镍和其它金属是不动的，锂电池则是锂离子和电子来回跑。

就拿我们现在常用的锂电池来说，它的负极一般是片层结构的石墨，锂原子就“夹”在这些片层之中，而正极，则可以是各种类型的金属氧化物，它呈网格状，锂原子同样也能藏在里面。这种结构的电池的充放电过程，实际就是锂离子逃离“牢笼”，通过电池中间的隔膜、电子通过导线来回跑而已。

▲ 锂电池工作原理，此处的晶格结构仅为示意，不同的物质晶格结构有所不同。制图/张雨晨

相比于另外两种电池，锂电池容量大，没有记忆效应，发热也少，除了造价贵之外，几乎没有什么缺点。80后记忆里的那几款超长续航的小板儿机，其背后都是锂电池的功劳。

今天的锂电池，和之前用的锂电池相比，容量已经提升了数倍，但这种提升速度却依然跟不上时代的步伐。

如今的智能手机，性能先进，都已经快成相机+电脑的结合体了，各种大型软件、即时通信软件都会大量耗电，大屏、120Hz高清屏也会增加耗电，反观我们自己，用手机的时间也是越来越长。

锂电池就不能再发展发展，更加澎湃、持久么？恐怕很难！

想提升锂电池的性能，无非就是提高锂原子的占比而已，现在锂离子电池中的锂原子占比仅不到1%，看似还有大把的提升空间，但提升后的安全性却无法得到保障，具体的例子这里就不展开了。

而过充、过放，都容易导致锂电池正负极晶格体系的破坏，从而导致鼓包。

那么，锂电池该如何充电？

锂电池没有记忆效应，但害怕过度放电和充电。过度的放电和充电，会让部分锂原子被死死地“压进”正负极中无法逃脱，导致电池容量减小。所以，锂电池一般可以在还剩20%电量的时候充电，充到90%的时候结束充电。

不过，现在手机的锂电池中都有保护电路，会在过度充电时切断电路，尽管如此，还是尽量避免充电过夜。

另外，在充电期间玩手机游戏，也会导致电池温度提升，寿命缩短。

电量焦虑，什么时候才能解决？

能从根本上解决电量焦虑的方法，还是改进电池。

科学家们至今还没有放弃锂电池，硅和锂金属都被认为是可以作为负极的潜在材料，几年前，新加坡南洋理工大学的科学家曾尝试用二氧化钛凝胶代替石墨，但这种改进只是让充电变得更快，电容量却不见增加。

以硫为阳极的锂硫电池是在短期内最有可能成功的技术之一，只不过，锂硫电池在连续充电后电解液迅速降解的问题很难解决。

除此之外，人们还尝试使用固态物质代替锂电池里的电解液，这样就没有刺破短路的风险了。但固态物质与阴阳两极的接触可没法做到液态物质那么紧密，电导率也难以提升。

在锂电池之外，燃料电池也为电池的未来提供了一种新的可能性，比如氢能源汽车如今已经在日本上市了，但这种电池能否用在手机上，还是个未知数。

在电池技术尚未突破的时候，我们还能用快充来解决部分焦虑，比如某广告词：“充电5分钟，通话2小时。”那时，手机的快充功率只有20W，现在手机的充电器已经高达100W了。

在现有的电池保护技术条件下，快速充电对锂电池的损伤基本上可以忽略不计，甚至很多时候，手机电池还没退役，你就已经考虑在为新型号的手机剁手了！

当然，还有一种最为简单、也最为环保的解决电量焦虑的方法，那就是放下你的手机，让眼睛好好休息一下吧~

来源:中科院物理所（ID:cas-iop）、中国国家地理BOOK

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