手机电池发展史——“从大变小”和“从小变大”

手机已经成为我们生活中非常重要的物品，我们可以使用它进行与其他人的交流，不单单只是发送文字，还可以发送图片以及视频。我们也会使用手机浏览互联网上的各类信息，进行网上购物，以及完成日常工作，拍摄视频等事情。而能否支持我们长时间使用手机的关键就在与手机电池。在过去主要出现了四种手机电池：镍镉电池，镍氢电池，锂离子电池，锂聚合物电池。

手机电池的历史

手机最开始的出现，是1973年，摩托罗拉研究团队制造出，又于1983制造出世界上第一台商用便携式手机DynaTAC 8000X （图1）。至此人类正式进入移动通信的时代，1G也正式进入发展期。

图1 左 人们在使用早期便携式手机 右 DynaTAC 8000X电池组

DynaTAC 8000X，高23cm，重907g，其电池仓可容纳六枚圆柱形电池，六枚镍镉电池（Nickel-Cadmlum Battery）组成的电池组可以输出高达7.5V的电压，补充一个知识，手机用的电池都是严格匹配手机，手机需要多高的电压，那对应设计的电池组就要提供多高的电压，像我们现在手机的电池，标称电压一般为3.77V左右，手机日常在中负载功耗一般为3W至4W，而DynaTAC 8000X的电池组输出的电压为7.5V，意味着其手机功耗非常高，那时的电池组由镍镉电池组成，总容量仅为约600mAh，充电十小时，仅能通话30分钟。而且由于镍镉电池的缺点：若充放电过程处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得电池容量降低，这就意味着，使用过程中，若出现突发情况需要长时间进行通话，用户无法进行随用随充，那电池将无法提供连续稳定的电流，只能更换电池，这大大影响了手机的便携性。

上世纪90年代，镍氢电池的出现，为便携式手机（摩托罗拉StarTAC）提供了比镍镉电池更好的手机电池。相较于镍铬电池，镍氢电池的记忆效应弱，还可以通过几次完全充放电来消除记忆效应。电池不含镉元素，更加环保。同体积下可储存的电量更多，循环寿命更长。尽管当时镍氢电池存在更高的自放电率（30%/月，镍镉电池自放电率为10-20%/月），但普通日常使用基本可以忽略这一缺陷。因此，镍氢电池更适合于便携式手机的特点让其迅速占据了镍镉电池在手机电池行业的市场。不过这并不是当时最优的手机电池，摩托罗拉StarTAC还推出了锂离子电池配件，尽管该配件只能进行选装，并且价格不菲，但由于锂离子电池相比镍氢电池（图2）具有更高的容量，该配件十分受广大消费者的欢迎。

图2 镍氢电池实物图

得到市场的积极反馈后，锂离子电池的研发速度迅速提升，且制造技术也迅速进步，在电池的容量提高及成不下降的双重影响下，锂离子电池得到更多手机厂商的青睐，手机电池正式迈入锂电时代。

如今，我们手机中的电池是改进过后的锂电池，专业来说叫做锂聚合物电池，相较于锂离子电池使用的液态电解液，锂聚合物电池采用的胶态聚合物电解质更加稳定，且外壳可以采用软包铝塑膜进行封装，外壳更轻。而且锂聚合物电池可以设计异型结构，如L型电池（图3），更大程度地利用手机内部空间。

图3 苹果16pro电池

尽管锂聚合物电池的价格要稍贵，但是在用户十分注重的安全性上，聚合物电解质也不易泄露，发生故障时通常只是发热膨胀或燃烧，而我们熟知的三星note 7手机，除中国外的其他地区版本采用的锂离子电池，加上电池设计缺陷，最终出现了全球范围内的电池爆炸故障。虽然事故原因三星以及电池厂商未能达成一致，但这次事故让人们意识到锂离子电池的危险。因此三星在后续的note 8手机上更换了电池种类（图4），全部采用了更安全的锂聚合物电池。

图4 左 三星note7电池 右 三星note8电池

缺点的由大变小

回顾手机电池发展史发现（图5），手机电池组的由原来的六枚镍镉电池组成，转变为现在仅仅需要轻薄的一层锂聚合物电池组成，体积下降率非常高，且由原来的7.5V高电压降低为现在的3.77V，锂聚合物电池的可使用周期也更长，这意味着后期成本也下降了。综合这些特点，发现手机电池在体积，输出功耗，成本方面都有显著降低。

图5 手机电池（镍镉电池，镍氢电池，锂离子电池，锂聚合物电池）

不单是体积，如今电池对环境造成的污染也更小。镍镉电池中含有重金属镉，对环境造成的污染巨大，回收难度比锂聚合物电池更大，在回收过程中还存在不小的重金属污染风险。锂离子电池回收目前发展趋势良好，经过技术突破后，能回收92%以上的镍，钴，锰等金属，回收再利用生产的电池经过500次充放电循环后仍然能保持88%的容量，经过900次循环容量保持率高达85%。

优点的由小变大

同样的，对比过去手机电池，现在的锂聚合物电池，无论是在电池性能，还是经济效益，便携程度等方面，都有很大的提升。

电池性能：由最初的600mAh，到现在的超过6000mAh，甚至超过8000mAh，在40年间提升了超过十倍，如果记算体积减小，能量密度的提高，那能量密度提高了几十倍，这是一个相当夸张的数据，只看数据或许和其他行业相比并不高，但电池材料领域属于基础领域，能有如此高的提升已经非常惊人了。且电池的循环寿命也有了巨大的提高。原本的镍镉电池使用几个月就无法继续使用，但现在市面上手机使用的锂离子电池，在使用三年后可用容量仍然有80%以上。这还是在目前电池都普及快充，而快充是比较伤电池的前提下，如果使用与厂商配置充电头功率更低的充电功率给手机锂离子电池，使用三年后电池容量保持率甚至能超过90%。

如今的电池：

最新的苹果17promax，esim版本搭载了5088mAh的锂离子电池（中国地区为4832mAh），是苹果首个电池容量超5000mAh的手机。苹果在iPhone X那一代，使用了新的电池布局，使用了两块锂离子电池（图6），将手机内部的剩余空间利用上。

图6 苹果X内部结构图

不过电池容量为2716mAh，相较于iPhone 8Plus的2675mAh只有小幅度提升。尽管利用上电池内部剩余空间，但两块电池意味着需要两个电池的模组，多出的模组同样占据了一部分空间。前文我们提及了锂聚合物电池的优势之一是其可以设计异型电池结构，于是在iPhone 11pro及后续机型上，苹果使用了L型的定制电芯，iPhone 11promax的电池容量达到惊人的3969mAh，比iPhone XSMax的3174mAh高了超过800mAh，也是苹果史上电池容量提升最大的一代。以至于在下一代iPhone 12promax上的电池容量还略有减少，为3687mAh，当然这也是苹果为了将手机做的轻薄化在电池方面做出的妥协。iPhone 11promax出现的六年后，苹果电池的容量突破了5000mAh大关，这与电池材料的进步密切相关。