最近，隨著蘋果公司新IPhone5S和5C開始在全球發(fā)售，這兩款新智能手機(jī)的電池配置再次吸引了中國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。拆機(jī)顯示IPhone5S的上限充電電壓還是4.3V，并沒(méi)有象很多人預(yù)期的那樣升高到4.35V甚至4.4V。就這個(gè)大家都很感興趣的話題，筆者在這里結(jié)合自己在鋰電方面的生產(chǎn)實(shí)踐以及與蘋果公司相關(guān)人員的研討交流，跟大家探討一下蘋果IPhone和IPad鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。

對(duì)于IPhone和IPad這樣的高端便攜式電子設(shè)備而言，如何在保證安全性和循環(huán)性的前提下盡可能地提高能量密度，是其電池發(fā)展的首要方向。事實(shí)上，這個(gè)指導(dǎo)原則始終貫穿于蘋果在電池材料的選擇以及電池設(shè)計(jì)等諸多方面的創(chuàng)新和實(shí)踐。

電池設(shè)計(jì)創(chuàng)新

蘋果在電池設(shè)計(jì)方面最大創(chuàng)新就是摒棄鋁殼而采用軟包電池并且將鋰電內(nèi)置到電子設(shè)備里面，從而徹底顛覆了消費(fèi)者可以自行更換電池的傳統(tǒng)手機(jī)模式，為此蘋果公司專門申請(qǐng)了國(guó)際專利。

采用重量輕的軟包電池并且內(nèi)置的好處就是最大限度地利用手機(jī)內(nèi)部極其有限的空間來(lái)增加電池尺寸，從而提高了電池的能量。但是與此同時(shí)，電池內(nèi)置對(duì)電池循環(huán)壽命(100%DOD至少循環(huán)500次)和安全性提出了更高的要求。這些因素?zé)o疑對(duì)電池生產(chǎn)廠家都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，只有具備相當(dāng)技術(shù)水平的大公司才能勝任。

電池內(nèi)置同樣對(duì)蘋果而言是個(gè)很大考驗(yàn)，因?yàn)殇囯妼⒁恢北Ａ粼谑謾C(jī)里面直到手機(jī)被機(jī)主淘汰，那么如何處理廢手機(jī)包括電池帶來(lái)的環(huán)境污染，就成了擺在蘋果面前的一個(gè)很現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。畢竟像蘋果這樣的頂級(jí)跨國(guó)公司，必須承擔(dān)相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任和道義。那么，蘋果和全球最具實(shí)力的貴重金屬和有色金屬的回收公司比利時(shí)Umicore達(dá)成戰(zhàn)略合作就不足為奇了。

所以筆者認(rèn)為，電池內(nèi)置這個(gè)看似不起眼的創(chuàng)新背后，蘋果是基于戰(zhàn)略的考量。使用軟包電池并且電池內(nèi)置現(xiàn)在已經(jīng)成為高端智能手機(jī)的標(biāo)配，蘋果又一次引領(lǐng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和潮流。

正極材料的選擇

鈷酸鋰(LCO)一直是高端移動(dòng)設(shè)備鋰離子電池的主流正極材料。受到蘋果IPhone和IPad的強(qiáng)勁需求拉動(dòng)，LCO的最近幾年的年產(chǎn)量一直穩(wěn)步增加仍然高居正極材料頭把交椅，并且這種格局在未來(lái)數(shù)年之內(nèi)很難改變。LCO從1990年產(chǎn)業(yè)化至今一直在發(fā)展，直到今天仍然在改進(jìn)完善，堪稱鋰電材料發(fā)展史上的最經(jīng)典案例。

蘋果對(duì)鋰電發(fā)展的最大貢獻(xiàn)就是充分發(fā)掘了LCO的高壓潛力，給了LCO過(guò)時(shí)論取代論的“專家”們一記響亮的耳光！

從最開始的高壓實(shí)LCO(壓實(shí)4.1，全電4.1V，145mAh/g容量)，發(fā)展到IPhone4上的第一代高壓LCO(4.2V全電，155mAh/g容量)，到應(yīng)用在IPhone5上第二代高壓LCO(4.3V全電，超過(guò)165mAh/g容量)，以及正在開發(fā)完善中的第三代高壓LCO體系(4.4V全電，接近175mAh/g容量)。雖然充電上限電壓每次僅僅提高了0.1V，但背后需要的技術(shù)積累和進(jìn)步，卻很少有國(guó)內(nèi)正極材料廠家具備。

第一階段4.2V的改性相對(duì)比較容易，原理主要是摻雜改性，三四年前國(guó)外公司已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。第二階段4.3/4.4V技術(shù)難度更高，需要體相摻雜+表面包覆并用，于是就發(fā)展出了“InsulateCathode”的概念，目前國(guó)際上已經(jīng)有少數(shù)大公司產(chǎn)業(yè)化。

高壓LCO改性元素主要是Mg、Al、Ti、Zr等幾種，基本上已經(jīng)公開，但是不同元素的作用機(jī)理并不一樣。高端LCO技術(shù)的關(guān)鍵在于摻雜什么元素，如何摻雜，以及摻雜的量的多少。同樣，表面包覆的難點(diǎn)首先在于選擇什么樣的包覆物，再就是采用什么樣的包覆方法以及包覆量多少的問(wèn)題。干法摻雜和包覆目前是主流，但也有公司在前驅(qū)體階段進(jìn)行濕法改性的。根據(jù)不同的摻雜和包覆要求，優(yōu)化溫度和燒結(jié)工序以及表面再處理工藝，這是高壓LCO生產(chǎn)的核心技術(shù)。廠家需要根據(jù)自己的技術(shù)積累和經(jīng)濟(jì)狀況來(lái)選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)路線。

IPad4電池所使用的正極材料和IPone5還不大一樣。IPhone用的是20微米大粒徑的高壓LCO，而IPad用的是10微米粒徑的高壓LCO和NMC532的混合材料(混合比例為6：4)。為什么IPhone5和IPad4用的材料不一樣？手機(jī)較高的工作/關(guān)機(jī)電壓和追求高能量密度使得高端LCO成為IPhone5的必然選擇。而IPad利潤(rùn)率沒(méi)有IPhone高，可以選擇較低成本的混合材料，在降低關(guān)機(jī)電壓的條件下還可以利用NMC釋放更高的容量，可謂一舉兩得。

IPad4和IPone5電池實(shí)際能量密度差不多都接近230wh/Kg，這正是因?yàn)镮Pad降低了關(guān)機(jī)電壓因而可以充分利用NMC在較低電壓區(qū)間的容量。LCO和NMC不是簡(jiǎn)單的物理混合，而是混合以后在較低的溫度(600～700℃)經(jīng)過(guò)了一個(gè)短暫的二次燒結(jié)過(guò)程。由于元素的相互擴(kuò)散，使得在混合材料里NMC的產(chǎn)氣問(wèn)題得到一定的抑制，高溫存儲(chǔ)壽命也有所提高，同時(shí)LCO的安全性也改善了，這些可以歸功于協(xié)同效應(yīng)。所以，IPad4使用4.35V的上限充電電壓也就不難理解了。

高電壓LCO專利由加拿大FMC公司申請(qǐng)，但FMC并沒(méi)有實(shí)際生產(chǎn)LCO，而是將專利所有權(quán)轉(zhuǎn)讓給了比利時(shí)Umicore，然后國(guó)際上有數(shù)家公司間接獲得使用授權(quán)。國(guó)內(nèi)既沒(méi)有任何公司購(gòu)買FMC專利使用授權(quán)也沒(méi)有任何相關(guān)專利發(fā)表。蘋果公司出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面顧慮，已經(jīng)對(duì)幾個(gè)電池廠家指定材料，國(guó)內(nèi)的正極材料廠家基本上已被排除在蘋果供應(yīng)鏈之外。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)這兩年國(guó)產(chǎn)智能手機(jī)和平板電腦產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，如果只是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)而不出口的的話，國(guó)產(chǎn)高壓LCO還是有生存空間的。高端LCO在國(guó)內(nèi)能否發(fā)展起來(lái)，就看國(guó)產(chǎn)智能手機(jī)和平板電腦產(chǎn)業(yè)能否真正做起來(lái)和Apple和Samsung三分天下了。

生產(chǎn)工藝的革新

高壓LCO電池是個(gè)系統(tǒng)，需要高壓電解液和生產(chǎn)工藝綜合配套才能充分發(fā)揮高電壓LCO的高能量密度優(yōu)勢(shì)。

對(duì)高壓LCO電芯，最為關(guān)鍵的是與之配套的高壓電解液和電池生產(chǎn)工藝，這將直接關(guān)系到電芯的循環(huán)性和高溫荷電能力以及安全性等關(guān)鍵問(wèn)題。4.3V的高壓電解液目前基本上比較成熟，幾個(gè)國(guó)際電解液大廠都可以供貨。但是實(shí)事求是而言，4.4V高壓電解液還有待進(jìn)一步發(fā)展完善。SONY和Samsung(目前已退出蘋果電池供應(yīng)鏈)還發(fā)展了一種比較獨(dú)特的凝膠(gel)電解質(zhì)，對(duì)提高LCO高溫荷電能力和安全性有一定的效果。

除了高壓電解液方面的進(jìn)步，為了進(jìn)一步提高安全性，這幾個(gè)公司(ATL、力神、SONY和LG)還從正極或者負(fù)極涂覆膜上下了很大功夫。

有的公司選擇在正極表面涂覆納米氧化鋁涂層，也有公司選擇在負(fù)極表面涂覆，目的都是為了提高在高電壓下的安全性。納米氧化鋁涂層的基本原理就是在電池?zé)崾Э囟鴮?dǎo)致膈膜熔斷的情況下，起到機(jī)械隔離正負(fù)極而防止直接短路的目的。至于當(dāng)前國(guó)內(nèi)炒作得很熱門的陶瓷涂覆膈膜，據(jù)筆者了解到的情況，蘋果電池目前還沒(méi)有采用。目前IPhone5和IPad4都用的是改性天然石墨，在負(fù)極上并沒(méi)有什么亮點(diǎn)，主要是因?yàn)槭?fù)極成熟度非常高的原因。

發(fā)展趨勢(shì)

下一代IPhone電池將仍然使用高壓LCO，因?yàn)長(zhǎng)CO的高能量密度目前仍然是其它商業(yè)化正極材料無(wú)法匹敵的，但是我們?nèi)匀灰J(rèn)識(shí)到LCO電芯在高壓下的安全性問(wèn)題。不管是用固相法還是液相法，都很難做到LCO表面完全被一層氧化物均勻并且完整地包覆，這個(gè)技術(shù)難題就決定了LCO的上限充電電壓不能很高，否則LCO晶體結(jié)構(gòu)坍塌和電解液的氧化分解將不可避免。

全電池4.4V應(yīng)該是LCO的實(shí)際應(yīng)用上限，更高電壓下循環(huán)性和安全性都不能保證，尤其是在55度測(cè)試條件下。事實(shí)上，高端LCO全電池4.4V接近175的實(shí)際容量發(fā)揮，體積能量密度在近期是沒(méi)有其它正極材料可以超越的。

對(duì)鋰電而言安全性在任何時(shí)候都是比其它指標(biāo)更重要的考量。畢竟電芯工藝和高壓電解液還不是那么成熟，還需要進(jìn)一步消化改進(jìn)完善，所以高壓LCO的路線還是要一步一個(gè)臺(tái)階穩(wěn)扎穩(wěn)打。從這個(gè)角度考慮，我們就不難理解為什么IPhone5S的上限充電電壓還是4.3V而沒(méi)有提升到4.35V。應(yīng)該說(shuō)，蘋果在IPhone5S堅(jiān)持了比IPhone5更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)了解，IPhone電池不是沒(méi)出過(guò)問(wèn)題，只是出了問(wèn)題通過(guò)公關(guān)擺平了外界不知道而已?，F(xiàn)在蘋果已經(jīng)認(rèn)識(shí)到安全性的重要性，他們希望執(zhí)行更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所以我們看到了IPhone5S的上限充電電壓穩(wěn)定在4.3V而沒(méi)有像很多人預(yù)期的那樣到更高壓。

最近SamsungSDI一批國(guó)內(nèi)某廠代工的4.35V高壓電芯因?yàn)橘|(zhì)量問(wèn)題被召回，也間接地驗(yàn)證了高壓LCO電池面臨的安全性隱患。下一代IPhone6的上限充電電壓將會(huì)達(dá)到4.35V，然后維持一兩年以后，再繼續(xù)升高到4.4V?？紤]到國(guó)內(nèi)智能機(jī)廠家的跟進(jìn)，高壓LCO將還會(huì)有四五年的黃金發(fā)展時(shí)期。之后，將可能是高壓三元材料(全電4.5V)的進(jìn)一步補(bǔ)充和發(fā)展。

蘋果一向以技術(shù)創(chuàng)新作為盈利的主要增長(zhǎng)點(diǎn)，在電池領(lǐng)域也不例外。事實(shí)上，蘋果非常關(guān)注電池領(lǐng)域的新技術(shù)，太陽(yáng)能電池，透明鋰離子電池，可彎曲鋰離子電池，全固態(tài)鋰離子電池以及鋰硫電池都已經(jīng)進(jìn)入了蘋果關(guān)注的視線。筆者個(gè)人預(yù)測(cè)，透明太陽(yáng)能電池+鋰電這個(gè)新電源模式，在不遠(yuǎn)的將來(lái)有可能在蘋果新一代IPad或者IPhone上獲得實(shí)際應(yīng)用。

鋰電產(chǎn)業(yè)界的每一點(diǎn)小小的進(jìn)步，都凝聚著很多人的不懈努力而來(lái)之不易。穩(wěn)扎穩(wěn)打一步一個(gè)腳印，是產(chǎn)業(yè)界的不二法則。蘋果在IPhone和IPad電池上堅(jiān)持創(chuàng)新和務(wù)實(shí)并重的態(tài)度，很值得我們學(xué)習(xí)。