2024 年手机续航除了拼电池容量, 还能拼什么?

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刘延的回答

续航这事,最终都是用来解决续航焦虑问题的,或者说,是让出门时候能更放心地玩手机的。

能卷的多了去了,有硬的,也有软的。

硬的方面,能卷电池材料、能卷电池结构、能卷电源管理芯片、能卷手机设计结构,从材料科学到工程制造,都能卷。

软的方面,能卷电池管理、能卷系统优化、能卷信号调度、能卷系统内核,从软硬结合到纯软件的,也都能卷。

在往电池材质与系统内核的卷的方向上,vivo S19系列或许并非第一个,却无疑是当前市场上,在这个领域钻研最为深入且成果显著的典范之一。

——这也成为了vivo蓝科技的组成部分。

1、手机续航提升,已经进入卷材料科学的探索阶段

新能源汽车引领下,电池是近年来材料科学技术迭代进步最快的领域之一。

当然,消费类电池与动力电池存在差异,消费电子产品的便携化趋势要求消费类电池在保证安全与性能的前提下,不断向轻薄化、轻量化方向发展,甚至轻薄的要求更胜于重量,也因此,对电池的能量密度及空间利用效率提出了更高要求。相比之下,动力电池则更加侧重于能量输出的稳定性和长期使用的可靠性。

但不管怎么说,这种跨界带来的新质生产力,都将相互促进电池材料的迭代。

1)引入硅基负极材料,让手机更轻薄

S19系列引入二代硅基负极技术,就是轻薄的关键技术点。

硅基负极的理论比容高于石墨负极一个数量级。

目前锂电池的负极材料以石墨为主,占比超过95%。但不管是天然石墨还是人工石墨,理论比容的上限也就是372mAh/g,换句话说,每克石墨材料理论上最多能够吸收并储存大约340到370毫安时(mAh)的电量。

因此,vivo S19系列引入的二代硅基负极技术达到809Wh/L,是主流锂电池(300-400Wh/L)的2倍左右,也就让体积变得更小,让S19大电池也能轻薄。

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所以,在电池技术领域,各大厂商们把目光放到了硅基材料上。

在锂离子电池充放电过程中,锂离子会在正负极之间穿梭。

石墨负极通过插层反应接纳锂离子,即锂离子嵌入石墨的层状结构中,每个碳原子大约只能吸附一个锂离子。

而硅作为负极材料时,反应机制更为复杂,硅与锂发生合金化反应,可以形成多种硅-锂合金相,如LiSi、Li₁₂Si₅等。理论上,每个硅原子可以与4.4个锂原子结合,形成Li₄Si,这意味着硅能够吸收远多于石墨的锂离子,从而显著提高了比容量。

硅的理论比容量高达约4200mAh/g,是石墨负极理论能量密度的10倍以上,可以有效缩小体积、降低重量,更适合手机寸土寸金的空间使用。

因此,硅基负极材料不好做。各家手机厂商大多把这种材料放到旗舰机上用,中端产品主要还在沿用之前的石墨负极体系。

当然,硅基负极最大的问题就是,材料如何迭代改进。

硅基负极的材料在应用中,比石墨负极材料要麻烦的多。

上面提到,硅基负极会形成多种锂硅合金(LixSi),这种硅与锂之间的合金化反应导致了原有硅晶格结构的变化。

硅原本的晶格间距较大,能够容纳一定量的锂离子插入,但在锂化过程中,硅晶格需要重新排列以适应锂离子的插入,这一过程伴随着晶格体积的增大,从而引起整体体积膨胀。

同时在锂化初期,硅表面可能会形成无定形的Li-Si层,这种非晶态结构相比于有序的晶体结构,更加松散,占据更大的空间,从而加剧了体积膨胀的问题。

这种体积膨胀问题会导致负极材料颗粒破碎、脱离集流体、SEI膜(固体电解质界面膜)的反复破坏与重建,进而影响电池的循环稳定性、安全性和寿命。

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vivo S19上的二代硅基负极就是最新材料改进成果,也是硅基负极第一次用在中端机上。

虽然vivo在发布会上没说具体工艺迭代改进路径,但从目前的各路论文和专利上看,vivo大致应该是与电池厂商共同投入了大量的实验资源,进行了无数次的材料改性与配方调整。比如通过在硅材料表面包覆导电碳层、设计智能缓冲结构以适应体积变化,以及优化SEI膜的形成工艺,最终使得S19系列搭载的第二代硅基负极技术得以成熟应用。

2)ETT极片隧道技术,让电池寿命更长

S19系列上搭载的ETT极片隧道技术将增加负极电解液存储量,增加SEI膜破坏-修复生命周期。

电解液和SEI(Solid Electrolyte Interphase,固体电解质界面)膜之间存在密切而复杂的关系,它们共同决定了锂离子电池的性能、稳定性和寿命。

SEI膜性能和寿命是电池性能最重要来源,它的特性可以决定循环寿命、自放电、额定速度甚至低温性能,是目前各大电池厂商研发重点之一。

SEI全名solid electrolyte interface,中文为固态电解质界面膜,在锂电池中,主要形成于阳极(负极)表面,成分有Li2CO3 、LiF、Li2O、LiOH,ROCO2Li 、ROLi等,总之就是各种各样的锂盐。显微镜下SEI膜长这样:

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SEI膜的形成消耗了部分锂离子形成,电解液中可供充放的锂离子减少,使得首次充放电不可逆容量增加,降低了电极材料的充放电效率;另一方面,SEI膜具有有机溶剂不溶性,在有机电解质溶液中能稳定存在,并且电解液中的分子无法通过该层钝化膜,从而能有效防止在充放电过程中溶剂分子的共嵌入,避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏,因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。

但还是上面提到的,SEI膜并非静态不变,特别是在硅基负极材料电池中,因其巨大的体积变化,容易导致SEI膜破裂和重构成分的改变,引入了额外的不稳定性。

所以,在S19上,vivo还引入了ETT极片隧道技术,用激光在负极上刻出来上千道微米级别宽度的凹槽,让体积已经这么紧凑的电池中,能容入更多的电解液,帮助SEI膜修复,进而延长电池寿命。

——细,真的细。

2、手机续航提升,也是结合软硬件的系统工程

1)续航提升也可以是结构的改进

汽车领域,比亚迪的刀片电池和宁德时代的CTP(Cell to Pack)底盘技术就是通过结构的改进,提升能量密度。比亚迪刀片电池采用长条形的单体电芯设计,这种独特的结构使得电芯可以直接作为结构件的一部分,嵌入电池包内部,省去了传统电池模块的金属支架。宁德时代的CTP技术则跳过了传统的电池模组组装步骤,将电芯直接集成到电池包中,大幅减少了电池包内部的结构件和连接件,降低了电池系统的复杂度和重量,有效提升了电池包的能量密度。

S19系列上搭载的超薄坚韧外壳也是类似的思路,通过结合高强度材料防护壳,调整保护电路(保护板)位置,减少封装空间,提升电池容量。

传统的电池保护板是与电池呈水平方向放置的,相当于多了个“小尾巴”。在S19上,vivo调整了这部分电路板体积,让它与电池厚度一样高,再把它竖了过来,进而增加了电池可用容量。

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当然,如果放到手机领域,这个设计可能很多数码爱好者都见过类似的思路。

我觉得vivo这个设计,更像之前屏幕封装领域,从COG封装向COP封装的变化。从COG到COF是通过软板将排线和IC芯片的位置堆叠起来,减少屏幕下巴“黑边”所占的面积。而vivo在S19上则是结合定制化电路,将电池保护与管理电路板竖过来放置,再扩大一些电池可以放的面积,让电池容量更大。

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从显示面板到电池,也是一种跨界带来的新质生产力。

2)续航提升更是软硬件的综合提升

S19系列上将放电截止电压从3.4V降至3.0V,提升了总放电能力和低温放电能力。这个的背后,是vivo对电池管理系统(BMS)、电化学稳定性的深入研究,以及充电策略的精确适配,并经过了大量严格测试与验证的支撑。

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一是电池管理系统的升级。不仅能够更精准地监测电池的电压和温度,实现均衡充电,还通过算法优化,有效预测电池状态,预防过度放电带来的损害,从而在保障电池健康的前提下最大化释放能量。这种智能管理策略,让电池在更低的电压阈值下仍能保持稳定的电力输出。

二是材料,还是材料的迭代改进。放电截止电压降至3.0V,意味着电池在深度放电状态下面临的电化学压力增大,vivo在S19系列上应该是通过选用更高稳定性的电解液配方,以及采用特殊处理的正负极材料,增强了电池在低电压下的电化学稳定性,减少了副反应的发生。

三是算法,充电策略的算法。vivo从iQOO初代开始引入电荷泵技术后,充电的算法就做得很好。在S19上,vivo应该是针对新设定的放电截止电压,重新校准了充电曲线,确保在充电过程中能够恰到好处地恢复电池的饱和状态。

此外,更低的截止电压,也能让手机在冬天寒冷天气下有更好的续航。

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在低温条件下,电池的化学反应速率减慢,内阻增大,这会导致电池放电时电压快速下降。如果放电截止电压设置得较高(比如3.4V),在低温环境下电池可能很快就达到这个截止点,尽管电池内部还存储有未完全释放的能量。而将放电截止电压降低至3.0V,意味着电池能够在电压下降到较低水平后再停止放电,从而榨取更多的可用能量,提升低温下的总放电容量。

3)Origin OS4也是续航提升的重要因素

部分应用不合理后台耗电,是日常手机使用中导致续航降低的最常见问题。

再好的电池,也经不住不明应用后台狂耗电。

Origin OS4引入了智能任务调度系统。这些系统能够基于机器学习算法,分析用户行为习惯,智能识别应用的使用频次和重要性,从而动态调整后台应用程序的运行优先级和活跃状态。

Origin OS4这套任务调度系统下,不常用或非必要的应用会被限制后台活动,仅在必要时唤醒,有效避免了它们在后台持续消耗资源和电量。此外,利用高效的CPU多核管理和核心动态调节技术,系统可以根据任务负载自动调整CPU频率,实现性能与功耗的最佳平衡。

总结:

vivo在S19系列上下的功夫,是未来手机卷续航中,软硬结合的重要趋势。

它在硬件层面引入了之前只在高端机上才会用的硅基负极技术,大幅提高了电池的能量密度,使得在有限的空间内能储存更多电能。同时,S19系列电池上还融入了ETT极片隧道技术,通过优化电池内部结构,存储更多电解液,让电池寿命更长。

软件方面,通过更好的电池管理算法,让放电截止电压从常规的3.4V降至3V,榨干更多电池能量,还能让手机在超低温下有更长的续航。当然,OriginOS 4的系统调度机制,能让手机根据当前任务的需求,动态调整CPU和GPU的工作频率,降低后台应用跑电问题。

优化手机续航是一项综合性的系统工程,不仅依赖于硬件的强化,更需要软件的协同配合。S19系列正是这一理念的典范,它通过融合创新的硬件技术,如硅基负极材料与先进的ETT极片隧道设计,显著改善了电池性能,并配以更贴合的电池管理算法及OriginOS 4的精细化系统调度,实现了软硬件的整合与效能提升,从而全方位提升了续航体验。

而这,也构成了vivo蓝科技技术栈的组成部分之一。

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