一文看懂手机电池技术

电池预备知识

初中知识

名词

电荷量Q。单位库伦C。
电阻R。电阻通过导体会做功产生热量。
电流I，单位安培A，毫安mA； 1A = 1000mA。电流I = 电压U / 电阻R
电压U，单位伏特V，毫伏mV；1V = 1000mV。电压U=电流I * 电阻R
功率P，单位瓦特W，mW；1W = 1000mW。功率P= 电压U * 电流I
能量E，单位焦耳J。
能量E = 电压U * 电流I * 时间t
= 功率W * 时间t
= 电流I^2 * 电阻R * 时间t
= 电压U^2 / 电阻R * 时间t。
串联和并联





1、串联口诀：首尾相连，串成一串。头尾相连，逐个顺次连接。
电流：串联电路中各处电流都相等。
电压：串联电路中总电压等于各部分电路电压之和。
电阻：串联电路中总电阻等于各部分电路电阻之和。
分压定律：串联电路中各部分电路两端电压与其电阻成正比。
串联电流不变电压变，手机电池双电芯串联，降压充电。

2、并联口诀：头连头，尾连尾。头头相连，并列连接在两点之间。
电流：并联电路中总电流等于各支路中电流之和。
电压：并联电路中各支路两端的电压都相等。
电阻：并联电路总电阻的倒数等于各支路电阻倒数之和。
分流定律：并联电路中，流过各支路的电流与其电阻成反比。
并联电压不变电流变，手机电荷泵并联维持大电流。


mAh 解释

电流定义：通过导体横截面的 电荷量 Q 跟通过这些电荷量所用的时间 t 的比值称为电流强度，简称电流，用I表示 。即 I = Q / t 。例如，如果在1s内通过导体 横截面 的电荷量是1C，导体中的电流就是1A。
电流I = 电荷量Q / 时间t。那么 Q = It。如果电流单位为mA，时间单位为小时h，那么Q 的单位就是mAh。表示电池内的电荷量，常叫做电量。

一块电池能用多久？
做功E = UIt = UI * t = P * t。功率P单位W， 时间t单位取小时h，就可以用Wh来表示做功多少。
E = UIt = U * It = U * Q。 那么 P * t = E = U * Q。看单位：Wh = 电压V * 电池容量mAh 。

vivo的 iqoo 11的2440mAh + 2500mAh的双电芯5000mAh电池：2500mAh/19.45Wh。电压U = 19.45Wh/2500mAh/1000 = 7.78V。



FlashCharge 200W充电头参数：


型号：V200100L0B0-CN；
输入：200-240V~50/60Hz 2.5A；
输出：5V2A，9V2A，11V6A，20V10A；
输入：100-240V~ 50/60Hz 2.5A；
输出：5V2A，9V2A，11V6A，20V6A，5-20V3.25A；
普通充电曲线






Pre-charge预充电，CC恒流充电，CV恒压充电。 充电速度上，低压阶段进行低电流预充；恒流阶段充电速度最快；恒压阶段电流逐渐减小，充电速度越来越慢。

快充

电池能量E = 电压U * 电流I * 时间t。电池能量出厂就标记好了，多大容量mAh。要减少充电时间t，要么提高电压，要么提高电流，要么同时提高电压和电流。
3种方案：高压低电流，和低压高电流，高压高电流。“高”是个相对的。iQOO的200W充电，采用的是20V * 10A 高压高电流设计。一加的100W充电，采用的是11V * 9.1A。

手机电池技术发展，电池材料的技术革新很难，目前能做的就是改良：一个是电池容量的提升、一个是充电速度的提高。考虑中手机有限的空间中，不怎么增大电池体积的情况下，电池容量提升的技术难度很大。比较难的出现一年一提升。从快充的发展，可以发现充电速度的提升，相对容易很多。从oppo的“充电5分钟，通话两小时”的广告开始，国内手机厂商开始加入技术竞赛。大家要在充电速度(功率、转化率(realme GT neo 5：98.5%))、温度、安全、体积(电池容量、充电器)4个维度进行平衡。

例如高通的QC（Quick Charge）、华为的SCP（Super Charge Protocol）、OPPO的VOOC（Voltage Open Loop Multi-step Constant-Current Charging），后面统一的PD（Power Delivery）100W，最新的240W等。这些快充协议采用不同的电压和电流组合方式，根据不同的协议，手机会采用不同的充电方式。从以前的2013年的高通QC1.0 5V2A的10W，到2023年打到协议峰值的240W。后续充电协议应该还会进一步更新，提高功率标准。



补充一句：一加的Dash Charge、Warp Charge，Realme的Dart Charge，都是VOOC的内核。网上很多文章、测评还在哪来分别对比，其实没必要。
要实现快充，硬件层面涉及到：充电器->充电线->电荷泵（充电IC芯片）-> 电池。
电池技术除了目前主流的锂离子方案替换困难外，又涉及到正负极、电解液、隔膜。软件层面还涉及到各种充电协议。
在控制体积的情况下，还要解决发热、短路、爆炸等安全风险。
充电器

快充充电器通过把家用的交流电高电压降压，转换为直流的低压电，通过控制电压和电流实现快速充电。
快充充电器还要实现多种保护功能，例如过温保护、短路保护、过流保护等。
元件上，GaN氮化镓的带隙更宽且导热好，能够匹配体积更小的变压器和大功率电感，在发热量、效率转换上相比硅材料的普通充电器也有更大的优势。所以氮化镓充电器有体积小、效率高、更安全等优势。


2020年小米10Pro 发布的GaN充电器




2023年的realme 240W充电器配上了“双GaN”设计，尺寸为57.82mm * 57.94mm * 30.39mm，体积约为101.81cm³，以充电器的功率240W计算，功率密度约为2.36W/cm³，行业最高功率密度。体积比之前的 150W 充电头仅增加了 5%，充电功率提高60%。同时配有过离散式热源电路设计、全密封气凝胶隔热膜以及全新的均衡壳温热量扩散算法调教，能够有效防止充电头出现过热的情况。
充电器IC芯片参考：


充电线



realme 240W 充电线，采用定制的4 x 21AWG粗细铜线(21AWG对应直径0.723mm，面积 0.410mm²，铜阻抗42Ω/km))。
说明：美国线规（英语：American wire gauge），缩写为AWG，是一种区分导线直径的标准。数字代表相同面积下，能塞进的AWG线数目。线规数字越小，表示线材直径越粗，阻抗越小，所能承载的电流就越大；反之，线规数字越大，表示线材直径越细，阻抗越大，所能承载的电流就越小。


iQOO 200W充电线

多根铜芯线材可以提供更好的柔韧性和耐用性，可以更好地承受弯曲和拉力，使用寿命更长。
增加铜芯可以增加电线的截面积，从而减小电流通过时的阻力。
电线在通电时，会出现一种“趋肤效应”现象，电流集中在电线的表面。相同横截面积，多芯线载流更大。
realme的240W充电线可以承载12A电流。
充电线还承担了对充电头和手机电池直接的协调作用，增加识别线缆，防止不合格第三方数据线威胁用户使用安全。


电荷泵

电荷泵（charge pump）是一种直流-直流转换器，利用电容器为储能元件，在快充领域对充电器输出的高压进行降压并电流增倍。
快充技术发展：从低压快充不需要电荷泵，到采用1个电荷泵再到2课，再到现在的3颗。


单电荷泵但电池示意图


示意图为120W的双电荷泵双电芯快充方案。


OPPO 125W 3课电荷泵 超级闪充简化示意图
iQOO 10系列的200W快充和Realme 的240W快充方案，都采用3颗电荷蹦充电芯片并联分流设计，降低阻抗，分散热源，每颗充电芯片的功率上限达到100W。


可以看到，相比于传统的开关电源方式，电荷泵技术能够利用电容储能，快速通断，实现输出电压减半，并且大幅度提高了充电转化效率，可达到98.5%（还可以提高到99%以上）。同时，三颗电荷泵特殊的并联分流设计，也将充电的核心发热源分散在手机的不同位置，减少了充电热量积累的情况。
电池

电池原理




锂电池是由锂金属或锂合金为正级或负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池的充电放电过程主要依靠锂离子（Li+）在正极和负极之间移动，充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
这就涉及到正极、负极、电解液、隔膜等。



来看下各个厂家在电池方面做的改进：
多极耳技术




2021年3月，小米11 Pro系列通过采用20级耳的多极耳方案，相对的减少电池厚度，降低电池内阻，降低产热，提高充电速度：


2021年的荣耀P50 Pro 采用单电芯双回路多极耳技术中的双回路也类似双电芯方案提高充电速度：


2022年7月，iQOO 10系列发布提到的方案：


正极添加镧、铱，使得正极的材料晶格更稳定。
电极压薄到55微米，让锂离子走更短的路，更快的到达目的地：


通过新的萃取技术和双向拉升工艺， 使得隔膜孔径更大，纳米级的微孔数量增加27%。大孔径、多孔隙，提高锂离子通过的空间道路：


电解液里 大幅度增加小分子羧酸酯的比例，提高电导率，提高锂离子通过速度：



传统石墨负极材质锂电池能量密度理论上限为372mAh/g，目前技术已迫近理论值难以再往上突破。硅氧理论比容量1800mAh/g，纯硅材料的理论克容量4200mAh/g，约为石墨的10+倍：


2021年3月，小米11系列发布硅氧负极电池：




硅氧化物-碳负极电池，虽然工艺成熟些，但存在2个问题：
1. 本身比容量比硅要低，掺杂比例不高，实际带来的能量密度提升有限。
2. 存在首充效率低的问题。

2023年3月，荣耀magic5 pro 首发青海湖电池，通过硅碳负极电池技术，使得电池能量密度相比普通石墨提高12.8%。


同时还带来低压电荷聚能技术：




单电芯和双电芯





单电芯的小米13Pro电池额定电压3.89V，充电电压限制4.48V。



vivo的某款双电芯电池额定电压7.78V，7.78V/2 = 3.89V；充电电压8.96V，8.96V/2 = 4.48V。可以发现双电芯采用串联组成。

单电芯和双电芯方案，都拥有各自的优势与不足：
单电芯方案由于只有一个电芯，不存在一致性问题；充放电阈值设定相对稳定； 电池仓的空间利用率更高，相同体积下，单电芯方案电池容量约比双电芯方案高5~8%。

单电芯充电电压4.48V，按充电器100W充电功率直冲算，电池要求承载电流达到22.3A，充电器输出电压和电池端电压的压差较大，链路的负荷较重，发热较大。 需要多级分压降压处理，并且提高功率的难度也会更大。

双电芯方案采用串联双电芯方式，充电电压8.96V，按充电器100W充电功率直冲算，电池要求承载电流达到11.16A，链路电流负担相对较低，加之多级分压降压处理，能更好的控制发热。realme已经量产了充电功率240W的标准上限的产品。
两块电池之间存在孔隙和填充物料以及板材等，导致相同体积下，双电芯电池容量更低。
放电时，需要将电池组通过分压芯片将电压减半，再给手机系统供电。两款电芯存在一致性要求，充放电时的健康检测更严格。

能量密度

能量密度是指单位质量或单位体积的电池所放出的能量。


电池能量密度越大存储电量越多。但电池能量密度和快充功率是反比，也就是说电池能量密度越高，快充功率就越小。
比如 Realme GT neo 5 的手机，240W版 采用 4600mAh的双电芯电池；150W版 采用5000mAh的双电芯电池 。因为电池充电速度快电池能力密度低，电池容量就相应变小的缘故。旗舰机充电功率也不会太大的一个原因是旗舰机为了体验最优，性能一般拉满，各类器件功耗相应增大，耗电更快，更大的电池才能续航不至于太差，所以就采取了要大电池而不是大功率的策略。


充电工作温度范围


低温时，电解液粘度会变大，离子传导速度变慢，造成外电路电子迁移速度不匹配，因此电池出现严重极化，充放电容量出现急剧降低。 尤其当低温充电时，锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶，导致电池失效。所以手机在温度过低时会采用关机等方式保护电池。
2020年2月发布的小米10Pro 电池支持 -10°超低温充电。


2022年7月，vivo在iQOO 10系列发布会说：手机整机会经历-40°C ~ 60°C之间的144h的测试。
2023年2月，OPPO在Realme发布会说，行业手机大多保证在-5℃下充电，而Realme做到-20℃行业最低充电工作温度。


安全与质量


锂离子电池虽然不含有活泼的金属态的锂，但锂电池在充电时，锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，会造成危险性，一旦电池外壳破裂就会爆炸。
爆炸类型分析电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路、及过充三种。
三星自2016年8月推出Galaxy note 7手机一个月，在全球范围内发生三十多起爆炸和起火事故。
爆炸原因主要包括：
第一版的电池（SDI）是因为设计原因造成锂电池负极板受到挤压导致正负极短路起火；
第二版的电池（ATL）由于制造不严谨导致铜箔融化，焊接过程有毛刺穿破了绝缘膜，直接引发短路起火；
另外还有一部分电池被发现没有使用绝缘胶带。

国内厂家主要在充电器、手机接口、电池三个端口实现实时电压、电流及温度的监控和各种保护电路来确保充电的安全。


iQOO 200W的安全设计


Realme的240W安全设计
由于电池老化等原因，电池容量随着使用会出现容量下降。行业标准是800次充放电容量要大于80%。现在电池充电次数已经出现充电次数800次电池容量大于90%， 充电次数1600次电池容量大于80%。


充电曲线


目前快充功率都是标识的最高功率，实际随着充电时间功率是逐渐下降的：


说明：绿线是电压，紫线是电流，黄色是功率。


说明：电池容量百分比曲线，是逐渐变慢的
单从标称的最大功率是不能完全看出充电速度的：


该图显示，小米30W比某款40W手机充电还要快（电池容量差异2.8%）。


该图显示：充电27分钟，一加80W 充电4700mAh；友商100W，充电4000mAh（一个原因是由于电池快充满时电流降低，但为什么整体曲线都低于一加？）。
厂家标称的充电头端同样的最大功率，由于全链路的优化与散热的设计、策略的不同，最终到达电池内部的转化的电荷量和速度还是有比较大差异。
总结

充电功率虽然达到了240W的行业最高标准协议，但电池能量密度还有发展空间，各类场景下的充电挑战还是存在的。
各位看官在要对各家产品发布会上宣称的数据打个问号，各类细分维度下的第一、天花板等词也只是看看而已（某米，某我在发布会上就有类似说法）；友商对比数据也要注意是否存在田忌赛马的情况(某耀)。
手机行业技术内卷严重，用户在买手机的时候或许等下，友商的技术就追上来了。



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参考

https://www.bilibili.com/video/BV1i34y1J7YC/ iQOO 10系列新品发布会全程回顾
https://www.bilibili.com/video/BV1hM41147yC/ 荣耀Magic5系列及全场景新品发布会『完整回放』
https://www.bilibili.com/video/BV1HM4y1k78B/ 荣耀Magic5 Pro拆解评测：荣耀青海湖技术究竟是什么？
https://www.zhihu.com/question/317707735/answer/2451724501 「快速充电」的原理是什么，目前的快充技术存在哪些亮点和缺陷呢？
https://www.juda.cn/news/77228.html  三星手机锂电池爆炸原因分析
https://www.zhihu.com/question/50528184/answer/176086701 手机快充是跟数据线有关还是跟充电器有关？
https://en.wikipedia.org/wiki/Quick_Charge
https://www.pingwest.com/a/277090 真我GT Neo5评测：240W高功率，手机快充“天花板”
https://www.chongdiantou.com/archives/206154.html 240W满级秒充，安卓闪充终章，realme 真我 GT Neo5充电评测
https://www.cnblogs.com/lifan3a/articles/16498232.html 电荷泵原理及应用
https://post.smzdm.com/p/a60qn7n0/ 2022年，大家终于重视起了手机电池能量密度。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/597267004
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BE%8E%E5%9B%BD%E7%BA%BF%E8%A7%84
https://edadocs.software.keysight.com/kkbopen/awg-awg-620138994.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/242899641
https://www.bilibili.com/video/BV11d4y1e71q/ 【享拆】小米 13 系列拆解：双机齐拆，惊喜加倍!
https://www.bilibili.com/video/BV1cT411Z7Mm/ 科普：智能手机内置电池的单电芯、双电芯有何不同？
https://zhuanlan.zhihu.com/p/545316941 锂电回收 ~ P1：行业背景
https://zhuanlan.zhihu.com/p/566878532 锂电池行业产业链拆解（深度）—负极，隔膜，电解液
https://news.bjx.com.cn/html/20201130/1118833.shtml 储能技术|为什么冬天锂电池容量会变低
https://patents.google.com/patent/CN203733873U/tr 一种多极耳电池卷芯及多极耳多卷芯锂离子电池
https://dianchishequ.com/2021358 电池技术重大突破，一文看懂小米硅氧负极电池
https://zhuanlan.zhihu.com/p/371894902 电荷泵原理及应用
https://zhuanlan.zhihu.com/p/146768161 锂电池的发展历史

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