续航、安全和性能

影响智能手机体验的核心要素都有哪些？更强的性能、更完美的拍照成像效果、更流畅的系统和更丰富的功能，除了上述这些因素外，持久的续航自然也是重中之重。提到续航，我们都知道它受电池牵制，但你可曾想过，电池除了影响待机和安全外，还有可能成为手机性能的拖累吗？

电池容量遭遇瓶颈

对智能手机而言，其内置锂电池默认的工作电压都是标准的3.7V，在屏幕和其他硬件参数相似的情况下，更大的电池容量就等于更持久的续航潜力。

技术革新脚步放缓

对手机电池而言，电解质和阴阳极材料是决定性能指标的核心。在过去的几十年中，电池的材料技术经历过几次革新，比如“大哥大”时期的镍镉电池和镍氢电池、功能机时代的锂离子电池、智能手机时代的锂离子聚合物电池等（图1）。

然而，电池技术可不像半导体芯片拥有“摩尔定律”的光环，別说18个月翻一番了，180个月能有所提升就谢天谢地了。随着智能手机屏幕越来越大、性能越来越强，想保持至少一天一充的续航下限，就只有暴力增加电池容量这一条出路了。

能量密度的安全上限

根据“电池容量=能量密度×电池体积”的公式来看，在由正极材料钴酸锂（LiCoO2）+电解质+隔离膜+负极材料石墨这四种主流电池构成材料没有替代品之前，只有想办法提升电池能量密度和电池体积（图2）。问题来了，智能手机如今都在追求更轻更薄的设计，留给电池的空间自然受限，想无限提升电池体积并不现实。

另一方面，锂电池的能量密度也是存在安全上限的（最高在650Wh/L到700Wh/L左右），如果一再追求更高的能量密度就会带来极大的安全风险。比如三星在2016年推出的Galaxy Note 7就曾遭遇“爆炸门”事件（图3），原因就是为了在有限体积的电池里提升能量密度，三星重新设置了电池规格和标准，尽管三星对其提供了多种保护，但全新设计的电池依旧遇到了麻烦。

具体来说，三星设计师为了给Galaxy Note7塞进更大的电池，不得不采用偏紧凑的机身设计。在一松一紧之间，三星加入了用CNC加工的保护罩，但显然这种设计并没有奏效。由于这种过于激进的设计，用户在平常的使用中也可能出现电池受到过度挤压的情况，从而导致电池内部短路进而着火甚至爆炸（图4）。

在这种大环境下，5.5英寸16∶9屏幕或采用6英寸18∶9全面屏设计的手机要想保持7.5mm厚、170g重的轻盈身材，电池容量就只能保持在3000mAh左右。那些市面上标配4000mAh或5000mAh电池的产品，普遍没有太过性感的身材，不是重量超标就是厚度超标。

1+1双电池参上

为了弥补难以增大的电池带来的续航压力，各种快速充电技术和系统层面的省电优化技术层出不穷。与此同时，在电池层面也涌现出了一种全新的设计方案，那就是双电池模块设计。

双电池永不断电

最早引入双电池概念的智能手机可以追溯到夏新在2012年推出的N808，这款产品内置一大一小两个电池仓（图5），可以同时安装1630mAh+900mAh两块电池实现2530mAh的总容量（图6），从而获得超越同期竞品的续航能力。

而这款产品双电设计的另一个好处是：在手机正常使用中可以替换其中一块电池，而另一块电池依旧可以保持手机的正常使用，从而实现持久待机永不断电的梦想。不过，如今的智能手机都已经过渡到不可拆卸的内置锂电设计了，这种双电思路已经被历史淘汰。

双电池安全扩容

金立在M 5和M 2 017为了诠释“超级续航”的卖点，分别内置6020mAh和7000mAh电池，虽然牺牲了轻薄却无需再为待机担忧。问题来了，前文我们已经提到，无休止地提升电池能量密度存在较大的安全隐患。因此，这两款手机内部分别采用了3010mAh+3010mAh和3500mAh+3500mAh电芯并联的双电池方案（图7），并将它们塞入同一块电池容积中。

如此设计既有利于减小单一电池模组的体积，同时一分为二的电芯还可减少大量活跃电离子在一起时的能变效应，减少长时间使用或充电过程中的发热和不稳定现象。对容量大于5000mAh的手机电池而言，这种双电芯设计可最大限度提升安全性。

双电池优化结构

需要注意的是，双电池设计不一定是为了单纯的增强续航。以苹果最新5.8英寸全面屏版的iPhone X为例，这款产品就内置了L型的双并联电芯（图8），总容量达到了2700mAh（图9）。虽然较之上代5.5英寸的iPhone 7 Plus的2900mAh少了200mAh，但请不要忘记，iPhone X的体积只比4.7英寸iPhone 7略大一点，而容量却比iPhone 7内置的1960mAh电池足足增加了740mAh！

实际上，iPhone X这种L型双电池方案的设计初衷还考虑到了主板、内存、电话卡、摄像头、喇叭等一切配件的合理布局，为在超薄的机身里实现双层堆叠的PCB主板和无线充电线圈腾挪出了足够的空间。endprint

有了iPhone X的示范作用，未来L型双电池和双层堆叠的PCB主板很可能会出现在Android手机阵营中，而雙电池并联还能解决超大电池的安全隐患。在电池材料技术没有进一步的革新之前，这类取巧的方案就成为了最为现实的改善续航的研究方向。

留心使用环境的影响

同一款手机在不同地区使用的续航能力通常会出现一定的差距，难道是电池性能也要分“人品”？答案自然是否定的，这类尴尬的背后，往往是不同的使用环境造成的。

极端温度是大忌

温度对电池的内阻、充电性能、放电性能、安全性、寿命等都会造成不同程度的影响。具体来说，锂电池对0℃～40℃这个区间内的温度并不敏感，然而一旦超过这个区间，电池的寿命和容量就大打折扣。特别是在低温环境下锂离子活动会变得迟缓，需要更大的电压驱动才能进行正常工作，翻译过来就是环境越冷手机续航时间就越短。

此外，如果温度过低，锂电池负极上嵌套的锂离子会产生离子结晶，如果刺穿隔膜就就容易造成微短路而影响电池安全。因此，不少手机内置的电源管理芯片会对超低温环境加以限制，比如无法开机或无法充电，只有温度提升到安全的阈值后才能继续使用。

正视电池耗损问题

手机电池通常是石墨或类似材料做负极，充电时锂离子会插入到石墨中，放电时锂离子又从石墨中抽出来，我们使用手机的过程中电池内部就在不断重复这个动作（图10）。问题来了，长时间重复这种动作会造成石墨材料的结构松动，让其中嵌入锂离子的能力越来越弱，翻译过来就是能充入的电量逐渐变少，这就是电池耗损问题产生的根源所在。

手机电池耗损的问题是不可逆的，在当前的技术条件下，一般锂电池可以确保反复300次～500次的充放电后还能保持80%以上的电量。当然，这个数据不是绝对的，如果你习惯在充电时玩游戏、长时间在温度过高或过低的环境下使用手机、使用劣质充电头给手机充电，或多或少都会加速电池耗损的进程。

不要小看电池耗损问题哦，因为它可能还会带来一系列的后续尴尬。

电池耗损对性能的影响

很多iPhone 6/6s用户都会发现一个问题，随着使用时间的推移，手机的性能似乎也在逐渐下降，特别是在升级最新iOS系统版本后还会出现明显的卡顿现象。而这类问题背后的元凶，可能就是耗损的电池。

换电池让老iPhone满血复活

很多国内外用户都在反映一个有趣的现象：变得越来越卡的老iPhone手机，在更换全新电池后可以“原地满血复活”，大幅提升使用的流畅度。为了将这个现象量化，有iPhone 6S用户使用Geekbench 4软件进行了跑分对比：在更换电池前iPhone 6S单核/多核成绩为1466和2512，更换电池后性能倍增，达到了2526和4456的分数，还原了iPhone 6S本应有的性能表现（图11）。

耗损的电池来背锅

面对网友的质疑，苹果公司随后发表了声明，证实他们真的在系统中加入了对iPhone 6、iPhone 6s和iPhone SE的降频规则，目的正是解决电池老化、电压不足引起的自动关机问题。

具体来说，当老版本iPhone的电池耗损超过某个阈值后，新版本的iOS系统就会强制CPU大幅降频，用来延长手机的续航时间，并避免因耗损电池的电压过低而在冬天里出现无法开机的问题。以iPhone 6s为例，CPU主频会随着电池耗损被限制在600MHz、900MHz和1.8GHz等多种频率上，自然就会出现云泥之别的性能表现（图12）。

如果从更技术性的角度分析，随着电池耗损问题的加剧，其工作电压会逐渐降低。现在智能手机电池的默认电压都是3.7V，充满电是4.2V（充电截止电压），放完电是3.6V左右（放电截止电压）。很多老手机的电池刚充电到4V甚至更低就显示已充满。

电池工作电压下降，所能输出的功率自然也会降低，不能满足CPU满血运行的瞬间功率，CPU性能自然就会下降。这就好比很多游戏笔记本使用电池玩游戏时睿频加速会失效，只有接上电源才能满血运行的原理一样，电池输出功率“带不动”CPU和GPU的满负载运行需求。

因此，对正在使用iPhone 6/6s时期苹果手机的用户（也包括Android老手机），当发现手机变卡变慢性能降低、在恢复出厂设置无效的时候，不妨考虑换块全新的原装电池，说不定就能在一定程度上改善性能呢。endprint