續航、安全和性能

影響智能手機體驗的核心要素都有哪些？更強的性能、更完美的拍照成像效果、更流暢的系統和更豐富的功能，除了上述這些因素外，持久的續航自然也是重中之重。提到續航，我們都知道它受電池牽制，但你可曾想過，電池除了影響待機和安全外，還有可能成為手機性能的拖累嗎？

電池容量遭遇瓶頸

對智能手機而言，其內置鋰電池默認的工作電壓都是標準的3.7V，在屏幕和其他硬件參數相似的情況下，更大的電池容量就等于更持久的續航潛力。

技術革新腳步放緩

對手機電池而言，電解質和陰陽極材料是決定性能指標的核心。在過去的幾十年中，電池的材料技術經歷過幾次革新，比如“大哥大”時期的鎳鎘電池和鎳氫電池、功能機時代的鋰離子電池、智能手機時代的鋰離子聚合物電池等（圖1）。

然而，電池技術可不像半導體芯片擁有“摩爾定律”的光環，別說18個月翻一番了，180個月能有所提升就謝天謝地了。隨著智能手機屏幕越來越大、性能越來越強，想保持至少一天一充的續航下限，就只有暴力增加電池容量這一條出路了。

能量密度的安全上限

根據“電池容量=能量密度×電池體積”的公式來看，在由正極材料鈷酸鋰（LiCoO2）+電解質+隔離膜+負極材料石墨這四種主流電池構成材料沒有替代品之前，只有想辦法提升電池能量密度和電池體積（圖2）。問題來了，智能手機如今都在追求更輕更薄的設計，留給電池的空間自然受限，想無限提升電池體積并不現實。

另一方面，鋰電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會帶來極大的安全風險。比如三星在2016年推出的Galaxy Note 7就曾遭遇“爆炸門”事件（圖3），原因就是為了在有限體積的電池里提升能量密度，三星重新設置了電池規格和標準，盡管三星對其提供了多種保護，但全新設計的電池依舊遇到了麻煩。

具體來說，三星設計師為了給Galaxy Note7塞進更大的電池，不得不采用偏緊湊的機身設計。在一松一緊之間，三星加入了用CNC加工的保護罩，但顯然這種設計并沒有奏效。由于這種過于激進的設計，用戶在平常的使用中也可能出現電池受到過度擠壓的情況，從而導致電池內部短路進而著火甚至爆炸（圖4）。

在這種大環境下，5.5英寸16∶9屏幕或采用6英寸18∶9全面屏設計的手機要想保持7.5mm厚、170g重的輕盈身材，電池容量就只能保持在3000mAh左右。那些市面上標配4000mAh或5000mAh電池的產品，普遍沒有太過性感的身材，不是重量超標就是厚度超標。

1+1雙電池參上

為了彌補難以增大的電池帶來的續航壓力，各種快速充電技術和系統層面的省電優化技術層出不窮。與此同時，在電池層面也涌現出了一種全新的設計方案，那就是雙電池模塊設計。

雙電池永不斷電

最早引入雙電池概念的智能手機可以追溯到夏新在2012年推出的N808，這款產品內置一大一小兩個電池倉（圖5），可以同時安裝1630mAh+900mAh兩塊電池實現2530mAh的總容量（圖6），從而獲得超越同期競品的續航能力。

而這款產品雙電設計的另一個好處是：在手機正常使用中可以替換其中一塊電池，而另一塊電池依舊可以保持手機的正常使用，從而實現持久待機永不斷電的夢想。不過，如今的智能手機都已經過渡到不可拆卸的內置鋰電設計了，這種雙電思路已經被歷史淘汰。

雙電池安全擴容

金立在M 5和M 2 017為了詮釋“超級續航”的賣點，分別內置6020mAh和7000mAh電池，雖然犧牲了輕薄卻無需再為待機擔憂。問題來了，前文我們已經提到，無休止地提升電池能量密度存在較大的安全隱患。因此，這兩款手機內部分別采用了3010mAh+3010mAh和3500mAh+3500mAh電芯并聯的雙電池方案（圖7），并將它們塞入同一塊電池容積中。

如此設計既有利于減小單一電池模組的體積，同時一分為二的電芯還可減少大量活躍電離子在一起時的能變效應，減少長時間使用或充電過程中的發熱和不穩定現象。對容量大于5000mAh的手機電池而言，這種雙電芯設計可最大限度提升安全性。

雙電池優化結構

需要注意的是，雙電池設計不一定是為了單純的增強續航。以蘋果最新5.8英寸全面屏版的iPhone X為例，這款產品就內置了L型的雙并聯電芯（圖8），總容量達到了2700mAh（圖9）。雖然較之上代5.5英寸的iPhone 7 Plus的2900mAh少了200mAh，但請不要忘記，iPhone X的體積只比4.7英寸iPhone 7略大一點，而容量卻比iPhone 7內置的1960mAh電池足足增加了740mAh！

實際上，iPhone X這種L型雙電池方案的設計初衷還考慮到了主板、內存、電話卡、攝像頭、喇叭等一切配件的合理布局，為在超薄的機身里實現雙層堆疊的PCB主板和無線充電線圈騰挪出了足夠的空間。endprint

有了iPhone X的示范作用，未來L型雙電池和雙層堆疊的PCB主板很可能會出現在Android手機陣營中，而雙電池并聯還能解決超大電池的安全隱患。在電池材料技術沒有進一步的革新之前，這類取巧的方案就成為了最為現實的改善續航的研究方向。

留心使用環境的影響

同一款手機在不同地區使用的續航能力通常會出現一定的差距，難道是電池性能也要分“人品”？答案自然是否定的，這類尷尬的背后，往往是不同的使用環境造成的。

極端溫度是大忌

溫度對電池的內阻、充電性能、放電性能、安全性、壽命等都會造成不同程度的影響。具體來說，鋰電池對0℃～40℃這個區間內的溫度并不敏感，然而一旦超過這個區間，電池的壽命和容量就大打折扣。特別是在低溫環境下鋰離子活動會變得遲緩，需要更大的電壓驅動才能進行正常工作，翻譯過來就是環境越冷手機續航時間就越短。

此外，如果溫度過低，鋰電池負極上嵌套的鋰離子會產生離子結晶，如果刺穿隔膜就就容易造成微短路而影響電池安全。因此，不少手機內置的電源管理芯片會對超低溫環境加以限制，比如無法開機或無法充電，只有溫度提升到安全的閾值后才能繼續使用。

正視電池耗損問題

手機電池通常是石墨或類似材料做負極，充電時鋰離子會插入到石墨中，放電時鋰離子又從石墨中抽出來，我們使用手機的過程中電池內部就在不斷重復這個動作（圖10）。問題來了，長時間重復這種動作會造成石墨材料的結構松動，讓其中嵌入鋰離子的能力越來越弱，翻譯過來就是能充入的電量逐漸變少，這就是電池耗損問題產生的根源所在。

手機電池耗損的問題是不可逆的，在當前的技術條件下，一般鋰電池可以確保反復300次～500次的充放電后還能保持80%以上的電量。當然，這個數據不是絕對的，如果你習慣在充電時玩游戲、長時間在溫度過高或過低的環境下使用手機、使用劣質充電頭給手機充電，或多或少都會加速電池耗損的進程。

不要小看電池耗損問題哦，因為它可能還會帶來一系列的后續尷尬。

電池耗損對性能的影響

很多iPhone 6/6s用戶都會發現一個問題，隨著使用時間的推移，手機的性能似乎也在逐漸下降，特別是在升級最新iOS系統版本后還會出現明顯的卡頓現象。而這類問題背后的元兇，可能就是耗損的電池。

換電池讓老iPhone滿血復活

很多國內外用戶都在反映一個有趣的現象：變得越來越卡的老iPhone手機，在更換全新電池后可以“原地滿血復活”，大幅提升使用的流暢度。為了將這個現象量化，有iPhone 6S用戶使用Geekbench 4軟件進行了跑分對比：在更換電池前iPhone 6S單核/多核成績為1466和2512，更換電池后性能倍增，達到了2526和4456的分數，還原了iPhone 6S本應有的性能表現（圖11）。

耗損的電池來背鍋

面對網友的質疑，蘋果公司隨后發表了聲明，證實他們真的在系統中加入了對iPhone 6、iPhone 6s和iPhone SE的降頻規則，目的正是解決電池老化、電壓不足引起的自動關機問題。

具體來說，當老版本iPhone的電池耗損超過某個閾值后，新版本的iOS系統就會強制CPU大幅降頻，用來延長手機的續航時間，并避免因耗損電池的電壓過低而在冬天里出現無法開機的問題。以iPhone 6s為例，CPU主頻會隨著電池耗損被限制在600MHz、900MHz和1.8GHz等多種頻率上，自然就會出現云泥之別的性能表現（圖12）。

如果從更技術性的角度分析，隨著電池耗損問題的加劇，其工作電壓會逐漸降低?，F在智能手機電池的默認電壓都是3.7V，充滿電是4.2V（充電截止電壓），放完電是3.6V左右（放電截止電壓）。很多老手機的電池剛充電到4V甚至更低就顯示已充滿。

電池工作電壓下降，所能輸出的功率自然也會降低，不能滿足CPU滿血運行的瞬間功率，CPU性能自然就會下降。這就好比很多游戲筆記本使用電池玩游戲時睿頻加速會失效，只有接上電源才能滿血運行的原理一樣，電池輸出功率“帶不動”CPU和GPU的滿負載運行需求。

因此，對正在使用iPhone 6/6s時期蘋果手機的用戶（也包括Android老手機），當發現手機變卡變慢性能降低、在恢復出廠設置無效的時候，不妨考慮換塊全新的原裝電池，說不定就能在一定程度上改善性能呢。endprint