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手機、個人數字助理（PDA）、筆記本、平板電腦等行動型設備使人們的辦公、娛樂、通信越來越便捷，這離不開電池技術的發展。同時，電子設備越來越小型化的設計，也驅使電池技術向大容量和小型化進行演變。

1973年，摩托羅拉公司的馬丁·庫珀依靠美國電信電報公司的無線蜂窩通信技術，發布了世界上第1臺手機DynaTAC，它需要充電10 h，僅能通話35 min。如今手機可以輕松放入口袋，一次充電便可續航10~20 h，而電芯也與設備融為一體，成為不可拆卸的組成部分。

二次電池的發展為移動設備的持續性能源供給提供了幫助，從鉛酸電池、鎳鎘電池到綠色的鎳氫電池、鋰離子電池等，能量密度不斷提高。

然而電池技術的發展并不能滿足人們對移動設備續航能力的需求，特別是手機產品。隨著智能手機的普及，手機不再是單純的移動通信工具，它已經變成人們娛樂、社交、簡易辦公的多媒體手持終端，導致手機電池續航的能力無法跟上用戶的需求。

在電池能量密度提升緩慢的技術背景下，智能手機激進的輕薄化工業設計，又給電池容量的提升帶來了難度。

本文結合鋰離子電池的技術要素分析，概述目前電芯能量密度提升的具體措施和難點，再結合智能手機中各種硬件組份如芯片、屏幕的功耗分析和手機主板工藝的技術演變，分析未來智能終端整機的功耗趨勢和空間設計趨勢，展望未來可能出現的其他類型的用于智能終端的電池技術。

鋰離子材料正極體系的變化趨勢

經過多年的發展，鋰離子電池已經成為目前綜合性能最好的可充電電池，而正極材料的性能決定了鋰離子電池的整體性能，是鋰離子電池中最為關鍵的材料。目前應用最多的鋰離子電池正極材料為鈷酸鋰（LCO）、尖晶石狀錳酸鋰（LMO）、鎳錳鈷酸鋰（NMC）、鎳鈷鋁酸鋰（NCA）、橄欖石狀磷酸鐵鋰（LFP/LFPO）等，其性能對比如表1所示。其中，比容量體現了電芯可以提供的電量，比容量與電壓平臺的乘積則體現了電芯所能提供的功率。因此，高電壓平臺、高比容量的正極材料是電芯正極材料的最優選擇。對于計算機（computer）、通信（communication）和消費類電子產品（consumer electronics）3C產品，由于整機的空間有限，正極材料的壓實密度也是選擇的關鍵因素。

表1 4種常見的鋰離子電池正極材料性能

目前市面上絕大多數的3C產品電池選用的是鈷酸鋰材料。實際比容量為130~150 mA·h·g-1，電壓平臺為3.6 V，并且，鈷酸鋰的壓實密度可達到4.1~4.2 g/cm3，在相同的體積內可以容納更多的材料，迎合了3C產品工業設計輕薄化的特點。但鈷的價格較貴，使得鈷酸鋰正極的電芯成本較高。

三元材料（NMC）的電壓平臺、比容量、循環次數上都已經超過了鈷酸鋰，有取代鈷酸鋰材料的趨勢，首次放電容量高達140~200 mA·h·g-1，放電范圍2.5~4.6 V。但三元材料的高溫穩定性不好，容易產生熱脹氣，特別是提升正極材料中鎳（Ni）元素含量提升時，三元材料的熱分解溫度逐漸下降。這就意味著，出于安全性考慮，用于3C市場的三元正極材料要對正極中鎳（Ni）含量做適當的調整。比較常見的三元正極材料為：鎳鈷錳酸鋰532（LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2，NMC532）、鎳鈷錳酸鋰111（LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2，NMC111）、鎳鈷錳酸鋰811（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2，NMC811）、鎳鈷鋁酸鋰（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，NCA）等。

面對三元材料能量密度不斷提升，即將超越傳統的鈷酸鋰材料能量密度的現狀，一些電池研究機構將鈷酸鋰正極電池的電壓平臺提升至4.2V以上，進一步提高了電芯的能量密度（提高電壓平臺后的鈷酸鋰即為HV-LCO）。相對于三元材料，鈷酸鋰的優勢在于壓實密度，仍將在高端旗艦3C產品中作為主要的鋰離子電池正極材料使用。

圖1為各種正極材料在性能和價格上的優勢分析，可以看到三元材料具有很高的性價比。

圖1各種正極材料的性能與成本關系

鋰離子電池正極體系繼續向高電壓平臺和高比容量的方向發展，如圖2所示。其中LiNi0.5Mn1.5O4有著與LMO材料相同的尖晶石結構，但不會產生三價態的錳，保持了體系的結構穩定性，可以支持4.7~5.0 V的工作電位。過鋰材料（OLO）的優勢在于250 mA·h·g-1的比容量和4.0~4.5 V的工作電壓，但其材料初始工作會產生LiO2，影響Li+的可逆性。以上2種材料的工作電壓較高，也增加了尋找合適的電解質材料的難度。

圖2鋰離子電池正極材料體系電壓與比容量分布

磷酸錳鋰材料（LMPO）是基于LFPO的理論進行研究的，其工作電壓要遠高于LFPO，目前階段磷酸錳鋰主要用于實驗室階段的新一代鋰離子電池正極材料研發，不同于磷酸鐵鋰，由于磷酸錳鋰大批量合成的難度大以及電導率的改善困難等原因，國內目前還沒有商業化的磷酸錳鋰出售。

固然鋰離子電池正極材料體系在不斷演變，但滿足市場需求，能夠商業化的材料體系一定要滿足性能、安全、成本、工藝成熟等多方面考慮的前提，特別是近20年，電池每年能量密度穩定提高3%~6%，已實屬不易。正極材料的實際容量始終徘徊在100~180 mA·h·g-1之間，正極材料比容量低已經成為提升鋰離子電池比能量的瓶頸。

移動智慧產品功耗分析及電池續航

以手機產品為例，手機整機的組成主要以整機印刷電路板（PCB）為基礎，電池直接為PCB供電，PCB承載基帶芯片、射頻芯片、系統級芯片SOC、隨機存取存儲器RAM和只讀存儲器ROM及其他功能模塊，顯示器、攝像頭、指紋識別及其他硬件模塊以柔性電路板FPC的形式與PCB板相連。

以數字邏輯電路為主的芯片性能隨著半導體技術的發展而提高，同時其功耗逐漸降低。這得益于工藝制成的進步、硬件行業標準的更新、芯片架構的升級、晶體管器件結構的優化等。如：高通驍龍835處理器的功耗是早期驍龍801芯片的1/2，蘋果A10處理器是早期A5處理器功耗的1/5；同理，RAM和ROM會不斷提升數據的傳輸速率，降低功耗；互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器芯片也會隨著器件的結構設計，在提升分辨率的同時降低芯片功耗。

但以模擬電路為主射頻芯片，隨著通信技術的發展以及信號頻率的提升，射頻芯片的功耗呈上升趨勢，未來第五代移動通信技術（5G）時代到來，射頻芯片的功耗將會進一步提升。

此外，顯示屏分辨率的提高直接影響了顯示模組的功耗，液晶顯示器由背光和液晶顯示面板組成，所以其功耗主要由液晶面板的邏輯功耗與背光功耗組成，若顯示屏的尺寸增大，就要提升背光的亮度滿足整體面板的光強，若顯示屏的單位英寸像素個數（ppi）提高，則面板的像素開口率下降，也需要提升背光的亮度來滿足整體面板的光強。

表2列舉了5.5英寸低溫多晶硅背板液晶顯示器在不同分辨率下的功耗，可以看出分辨率由1920×1080過渡到3840×2160，邏輯功耗提升了2.3倍，背光功耗提升了1.4倍（92%National Television Standards Committee（NTSC）標準，亮度450尼特）。針對市面上50款安卓智能手機的不同應用平均功耗研究，可以看出手機中凡是與屏幕開啟有關的應用場景的平均功耗都超過了1.5 W，如表3所示。

表2各分辨率下顯示屏的邏輯功耗與背光功耗

表3 50款安卓手機在各個應用場景下工作4 h的平均功耗

隨著通信信號載波頻率的增加，射頻模塊功耗增加不可避免，但手機進行通話的應用場景是高度獨立的，很少伴隨其他功能模塊的協同作用，再加上射頻技術本身的發展和系統端的不斷進步，手機在通話時的功耗已經被大大優化。然而手機屏幕作為手機一切內容展現的窗口，其在工作時不可能不伴隨其他功能模塊的協同作用，如觀看視頻時圖形處理單元GPU在工作，拍照和錄像時圖形信號處理器ISP在工作，特別是進行3D渲染時，當GPU的利用率達到90%時，整機的功耗超過了10 W。

可見，顯示屏模組在工作時作為實時的信息呈現和內容展示的窗口，讓它成為了手機整機功耗輸出的重點。

若手機電池以3000 mA·h、3.8 V為基準，能夠提供11.4 W·h的能量，若平板電腦電池以8000 mA·h、3.8 V為基準，能提供的能量為30.4 W·h。以屏幕的功耗輸作為參照，則各個屏幕規格的手機、平板電腦的近似工作時間如表4所示。

以此電池基準為參照的手機產品和平板電腦，若不計其他硬件的工作狀態，僅屏幕的分辨率或尺寸提升，就會導致工作時間顯著下降。如表4所示，5.5英寸的手機產品，若分辨率從1920×1080提升至2560×1440，工作時間下降了近3 h，若要2560×1440維持1920×1080級別顯示屏的工作時間，額外需要825 mA·h的電量，3840×2160顯示屏則額外需要1537 mA·h的電量，同理這種現象在平板電腦中也可以估算。

表4手機與平板電腦的近似工作時間計算

自2007智能手機開始向3C市場滲透以來，手機屏幕的平均ppi逐年提升，如圖3所示據埃士信研究機構（IHS Markit）的數據分析，2007年全球手機平均ppi只有130，預計到2022年將達到376。而平板電腦的平均ppi在2007年的數值是104，預計2022年將上升至190。終端用戶對顯示器視覺體驗要求的不斷提升，驅使面板制造商不斷提高面板的分辨率。

圖3 2007—2022年智能手機顯示屏ppi發展趨勢

另一方面，3C品牌廠商不斷提升整機的外形科技感，將設備的屏占比（屏幕面積與整機面積的比例）設計得越來越大，2017年第4季度，小米、唯沃（vivo）、夏普（Sharp）等手機品牌都推出了屏占比超過80%的全面屏手機，蘋果也發布了iphone X全面屏手機，預計2018年全面屏手機的市場滲透率將大幅提高。同時，終端用戶也希望在屏幕上瀏覽更多的信息，這種市場需求造成面板的尺寸逐漸增大。根據IHS Markit的數據分析，2010年世面上99%的智能手機都在4英寸以下，隨后面板尺寸逐漸向4~5英寸和5~6英寸過渡，2018年預計80%的智能手機尺寸在5~6英寸（圖4）。

圖4 2010—2018年智能手機顯示屏尺寸發展趨勢

屏幕向高端規格的趨勢發展，與鋰離子電池技術的緩慢的發展形成了矛盾，手機電池的續航問題已經成為用戶抱怨的頭號問題。

移動智慧產品的功耗優化措施

降低顯示屏模組

移動智慧產品的功耗主要由整機的芯片和屏幕功耗組成，因此同時降低這2部分的功耗是降低整體功耗的首要任務。以手機產品為例，處理器等功能模塊芯片的功耗會隨著設計能力的提升而降低，只有通信模塊的功耗會增加。后者是無法避免、必須接受的，所以降低整機功耗的重點落在了降低顯示屏模組的功耗上。

采用像素渲染技術

像素渲染技術可以降低像素中子像素的個數，通過子像素渲染的方式實現高分辨率顯示的效果。這樣可以提升面板的像素開口率，從而提高了整體面板的透過率，在實現相同面板發光強度的同時，降低了背光的亮度。同時，子像素個數的減少也減少了數據寫入的數據量，降低了邏輯功耗，如圖5所示。

圖5 RGB標準像素排列與子像素渲染技術

圖5（a）RGB標準排列的像素設計中，1個像素中有3個子像素，而圖5（b）子像素渲染技術中，平均1個像素只有1.5個子像素，通過算法實現與圖5（a）相同的顯示效果，在水平方向上，圖5（a）與（b）的信號輸入量相同，但在豎直方向上，可以減少了50%的信號輸入量。

采用子像素渲染技術后，以分辨率3840×2160面板為例，可以降低25%的背光功耗和28%的邏輯功耗，甚至經過子像素渲染后的3840×2160面板的背光功耗比標準2560×1440的還要小，如圖6所示。

圖6子像素渲染技術和標準像素技術的功耗對比

采用低頻驅動方式

降低薄膜晶體管的漏電流可以讓電容更久地維持電量，從而達到低頻驅動的效果。目前一些公司已經克服突破了低溫多晶硅薄膜晶體管的制作流程難度，降低了漏電，提高了器件的穩定性，實現了30 Hz的低頻驅動，未來還會實現15Hz。氧化物薄膜晶體管也因其低漏電的特性受到了業界廣泛的關注。

通過低頻驅動技術，當面板的驅動頻率為30 Hz時，面板邏輯功耗為60 Hz驅動時的60%；若可以降低至1 Hz，則功耗只為60 Hz時的21.5%，如圖7所示。這樣就可以讓終端設備在靜態畫面顯示時大大地節省面板的邏輯功耗。

圖7子像素渲染技術和標準像素技術的功耗對比

自適應分辨率調節功能

當手機操作對分辨率要求不高，如文本瀏覽、少圖網頁瀏覽、菜單主界面等時，可以將分辨率降低至少通道的級別，這樣可適當起到降低功耗的作用。當運行圖片詳細瀏覽、電影播放等對分辨率較高的應用時，再將分辨率提升至面板最大分辨率。通過自適應分辨率調節的功能，可以合理分配面板的通道負載。

無論是低頻驅動，還是自適應分辨率調節的模式，都只能降低面板的邏輯功耗，不能降低背光功耗。

指向性背光技術

如果液晶顯示屏顯示一個局部黑色的圖像，若能適當關閉或降暗黑色區域背后的背光，則可節省一定的背光功耗，這需要研究每一顆背光所影響的亮度區域，對背光的驅動進行一定的算法優化，達到權衡功耗和畫質的效果。但是現在的手機產品都采用單面側面背光技術，而不是直下式背光技術，這種動態背光調節的方式對于手機產品來說意義并不大。

面板制造工藝優化

當面板的分辨率和面積提升時，背板電路走線長度會增加，從而提高了總體電阻值，采用銅工藝走線技術取代鉬-鋁-鉬走線技術，可以降低電阻；采用高精度細線化工藝，可在一定程度上提升像素開口率；在彩膜玻璃基板上采用顏料和染料混合的色阻材料，利用染料材料的高透過率優勢，可以有效提升面板的透過率。

整機空間設計優化以提升電池體積

整機的空間設計決定了設備可以容納的電池體積，從一定程度上也影響了設備的續航。以手機為例，目前手機的整機越來越追求超薄設計。2010年旗艦手機的厚度規格在10mm，2014年則下降至6.1 mm，這在一定程度上影響了手機的厚度。如此看來，未來手機的厚度即使不進一步下降，也將停留在6~7 mm。

若按照屏占比80%，屏幕長寬比16∶9，整機厚度6.5 mm，電池厚度占整機厚度1/2，電池的體積能量密度為637 W·h·L-1（由魅族MX4的電池容量與體積計算而來），鋰離子電池工作電壓3.8 V為基準。則在不同的電池底面積與整機底面積之比、屏幕的尺寸與設備可安裝電池容量的關系如表5所示。

表5手機屏幕尺寸、電池底面積占整機底面積比例與設備電池容量的關系

可見，電池在整機中的體積占比，直接影響了電池的電量，而在手機厚度追求超薄的趨勢下，電池的體積只能依賴電池的長和寬。所以，提升手機主板的元件集成度、縮小PCB的面積，是提升手機電池體積占比的有效手段。

2003—2013年，PCB板上走線的精度提高，從走線精度由100μm提升至40μm，PCB板的面積大幅度減少。但40μm已經是傳統PCB工藝的極限精度，若要進一步提升走線精度，就要選擇改良型半加成法（mSAP）工藝，以此工藝制備的PCB稱為類載板（substrate like PCB，SLP），SLP的走線精度能提升至30μm，PCB的尺寸會進一步被縮小。

未來，隨著走線精度進一步提升至15μm，mSAP工藝也不能滿足，PCB的生產將直接采用載板所用的半加成法工藝（SAP），故PCB板與IC載板的工藝接點相同，即PCB板可以與IC載板融合在一起。此時采用SiP封裝，可將PCB板制作為一顆芯片，實現了PCB板的終極形態。

在這種終極形態下，可以把更多的整機設計空間留給電池。若采用20層的SLP制作手機主板，與傳統的PCB相比，可以提升20%~30%的電池容量。

結論

鋰離子電池技術的發展依賴于材料體系的進步和發展，巨大的消費電子市場需求和用戶對鋰離子電池續航的要求推動著鋰離子電池技術的發展，也顯露出了鋰離子電池作為3C產品電池的不足。鈷酸鋰材料依然會是3C產品主要的鋰離子電池正極材料，三元材料有滲透進入3C市場的可能；顯示屏作為3C產品最主要的能量消耗單元，也在不斷研究降低其功耗的方案，其中最有效的方案當屬像素渲染技術；半導體芯片制造商也在不斷優化芯片的制程和設計，在提高芯片性能的同時降低芯片的功耗；在整機結構方面，PCB板走線的精細化、PCB的面積壓縮都將為整機電池設計出更大的空間。因此，電池、屏幕、芯片、整機結構設計要針對不同的產品功耗需求發揮自己的長處，才能制造出滿足終端用戶續航需求的智慧移動產品。