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IEK VIEW:智慧型手機續航力看鋰電池
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智慧型手機在生活上日益居不可或缺的地位,但在功能不斷增加、整合下,凸顯使用續航電力不夠、使用不便利的問題,智慧型手機品牌商和電池廠也開始將電力管理列為主要課題,「開源」、「節流」2大功耗設計又居關鍵。

2012年消費性電子市場最熱門商品,首推智慧型手機,近3年年出貨成長率均超過30%,成為一般消費大眾生活不可或缺的產品。

根據國內外多項消費者調查指出,智慧型手機在功能不斷整合下,消費者仍然對於使用續航力感到不滿意,往往在同時開啟行動聯網功能,或是使用影音播放時,電池耗電量大增,導致智慧型手機電力不足無法長時間使用,影響了智慧型手機的便利性。

針對此種電力不足的問題進一步觀察,智慧型手機的電力管理往往可以用「開源」與「節流」兩個面向來分析,手機廠商可以設計電容量更大,能量密度更高的電池搭配手機,「開源」來創造更多的可用電力;或是在有限的電池容量下,盡量發揮使用效率,從「節流」讓智慧型手機用得可長可久。

2大功耗 設計關鍵
在「節流」的層面上,廠商致力於各項不同功能間晶片功能整合,以更少的晶片與更低耗能的運算元件來節省電力;運用低耗能之顯示螢幕技術,以及在作為最高耗電功能的通訊處理上,試圖結合電容、放大器等節能設計,作為降低電能耗損的作法。

但是在現今推陳出新的市場趨勢之下,廠商無論如何致力於節省電力的技術,仍無法趕上產品功能持續增加,與消費者要求更新、運作更快的需求趨勢。

目前各家智慧型手機品牌大廠都將電源管理相關軟硬體設計做為重點開發標的,但是在功能快速推陳出新,整合單一裝置、多工,同時執行運算、觸控顯示螢幕、尺寸增大、通訊連網速度要求提升等眾多功能性需求下,電池耗電量成等比級數增加,但電池技術無法隨之提升,使智慧型手機仍然在續航力上無法讓消費者滿足,甚至無法支援一整天出門在外的行動上網使用模式,消費者需另行「開源」,使用行動電源等延長使用時間。

電池電容量 是重點
智慧型手機使用續航力不足的關鍵,在於電池能量密度提升的技術進展速度,按照過往的技術發展軌跡,在同樣的體積限制之下,作為主要供電來源的鋰電池,每年的能量密度提升比例約在5~10%之間,在能量密度無法快速提升的情況下,智慧型手機廠商就須考量加大電池體積提升電容量,也造成在產品輕薄化設計趨勢下,電池在智慧型手機所占體積比例卻持續增加的情形。

為了提升電池電容量,全球鋰電池的主要廠商均致力於能量密度提升的相關技術。

例如,直接考量更換能量密度更高、蓄電能力與效率更好的高電壓/高能量電池材料,或是盡量將電池活性物質層壓得更緊密,使單位體積中活性物質的密度提高,或是設計減少電池中非活性物質的使用量與比例,將空間留給活性物質以提升電容量,這些都是全球鋰電池與相關材料廠商努力的方向。

雖然在提升電池電容量思考上,有眾多方向可以努力,但是現實上仍然無法快速滿足大眾需求,主要原因在於安全性考量,過往電池廠商使用的電池相關材料配方體系,已經發展超過20年的時間,無論在材料結構穩定性,配方安全性已經過多年層層把關,在製造成電池,組裝到智慧型手機之前,也已通過眾多安全性測試,品質與安全性上足堪信賴,但是要更換任何新材料或變更電池內部結構設計,必須從頭模擬化學反應與重新調整配方,可說牽一髮動全身。

由過往產業發展來觀察,在開發智慧型手機使用的電池材料配方後,進行電池實驗室小批量測試、重複的檢討與調整動作,一直到量產樣品製造完成為止,最少需要12到18個月時間,還不包括後續進行安全性測試等數月,可見電池技術開發的慎重與耗時。因此電池技術的進展目前尚無法趕上智慧型手機動輒成倍數增加的電容量需求。

材料、技術 兩面著手
由國際智慧型手機大廠近年推出產品規格來觀察,過去3年電池電容量由平均1,200mAh逐步提升至2,000mAh,可見智慧型手機對於電池電容量的需求殷切,作為電力來源的鋰電池,要快速提升電池的電容量,除了直接更換材料體系,其實無法一蹴可及,因而電池也逐漸成為產品使用續航力等產品績效指標的技術瓶頸之一。

智慧型手機品牌廠商及供應電池的供應鏈配合業者,須為了續航力而思考如何提升電容量密度、擴大產品設計中電池之重量/體積空間,但是增加電池體積重量的作法,較不符合可攜式電子產品朝向輕薄化的產品設計趨勢,也變相排擠了其他零組件的應用空間,因此,在電池技術研究上,主要考量是在體積與重量不變下,提升電池電容量,又可從材料及改進電池製造技術2種作法著手。

雖然電容量提升的趨勢明確,但是廠商仍然須針對電池各項性能指標進行通盤評估,不能因為妄圖電容量的提升,就過度降低其他重要性能指標的表現。

尤其在電池安全性上,向來為鋰電池產品攸關重點,在更換高能量材料時,可能衍生安全性影響,以及在更換材料時衍生電池結構破壞,甚至造成短路爆炸等問題,進一步到製造過程改良上,要提高極板上活性物質之密度,也須在極板不會發生掉粉等不良問題前提之上才能進行,凡此種種,都是電池廠商在進行電池設計評估時須考量重點。

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

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