探讨苹果IPhone和IPad设备电池发展

最近，随着苹果公司新IPhone5S和5C开始在全球发售，这两款新智能手机的电池配置再次吸引了中国锂电产业界的极大关注。拆机显示IPhone5S的上限充电电压还是4.3V，并没有象很多人预期的那样升高到4.35V甚至4.4V。就这个大家都很感兴趣的话题，笔者在这里结合自己在锂电方面的生产实践以及与苹果公司相关人员的研讨交流，跟大家探讨一下苹果IPhone和IPad锂离子电池的发展现状与趋势。

对于IPhone和IPad这样的高端便携式电子设备而言，如何在保证安全性和循环性的前提下尽可能地提高能量密度，是其电池发展的首要方向。事实上，这个指导原则始终贯穿于苹果在电池材料的选择以及电池设计等诸多方面的创新和实践。

电池设计创新

苹果在电池设计方面最大创新就是摒弃铝壳而采用软包电池并且将锂电内置到电子设备里面，从而彻底颠覆了消费者可以自行更换电池的传统手机模式，为此苹果公司专门申请了国际专利。

采用重量轻的软包电池并且内置的好处就是最大限度地利用手机内部极其有限的空间来增加电池尺寸，从而提高了电池的能量。但是与此同时，电池内置对电池循环寿命(100%DOD至少循环500次)和安全性提出了更高的要求。这些因素无疑对电池生产厂家都是严峻的挑战，只有具备相当技术水平的大公司才能胜任。

电池内置同样对苹果而言是个很大考验，因为锂电将一直保留在手机里面直到手机被机主淘汰，那么如何处理废手机包括电池带来的环境污染，就成了摆在苹果面前的一个很现实问题。毕竟像苹果这样的顶级跨国公司，必须承担相应的社会责任和道义。那么，苹果和全球最具实力的贵重金属和有色金属的回收公司比利时Umicore达成战略合作就不足为奇了。

所以笔者认为，电池内置这个看似不起眼的创新背后，苹果是基于战略的考量。使用软包电池并且电池内置现在已经成为高端智能手机的标配，苹果又一次引领行业标准和潮流。

正极材料的选择

钴酸锂(LCO)一直是高端移动设备锂离子电池的主流正极材料。受到苹果IPhone和IPad的强劲需求拉动，LCO的最近几年的年产量一直稳步增加仍然高居正极材料头把交椅，并且这种格局在未来数年之内很难改变。LCO从1990年产业化至今一直在发展，直到今天仍然在改进完善，堪称锂电材料发展史上的最经典案例。

苹果对锂电发展的最大贡献就是充分发掘了LCO的高压潜力，给了LCO过时论取代论的“专家”们一记响亮的耳光！

从最开始的高压实LCO(压实4.1，全电4.1V，145mAh/g容量)，发展到IPhone4上的第一代高压LCO(4.2V全电，155mAh/g容量)，到应用在IPhone5上第二代高压LCO(4.3V全电，超过165mAh/g容量)，以及正在开发完善中的第三代高压LCO体系(4.4V全电，接近175mAh/g容量)。虽然充电上限电压每次仅仅提高了0.1V，但背后需要的技术积累和进步，却很少有国内正极材料厂家具备。

第一阶段4.2V的改性相对比较容易，原理主要是掺杂改性，三四年前国外公司已经产业化。第二阶段4.3/4.4V技术难度更高，需要体相掺杂+表面包覆并用，于是就发展出了“InsulateCathode”的概念，目前国际上已经有少数大公司产业化。

高压LCO改性元素主要是Mg、Al、Ti、Zr等几种，基本上已经公开，但是不同元素的作用机理并不一样。高端LCO技术的关键在于掺杂什么元素，如何掺杂，以及掺杂的量的多少。同样，表面包覆的难点首先在于选择什么样的包覆物，再就是采用什么样的包覆方法以及包覆量多少的问题。干法掺杂和包覆目前是主流，但也有公司在前驱体阶段进行湿法改性的。根据不同的掺杂和包覆要求，优化温度和烧结工序以及表面再处理工艺，这是高压LCO生产的核心技术。厂家需要根据自己的技术积累和经济状况来选择适当的技术路线。

IPad4电池所使用的正极材料和IPone5还不大一样。IPhone用的是20微米大粒径的高压LCO，而IPad用的是10微米粒径的高压LCO和NMC532的混合材料(混合比例为6：4)。为什么IPhone5和IPad4用的材料不一样？手机较高的工作/关机电压和追求高能量密度使得高端LCO成为IPhone5的必然选择。而IPad利润率没有IPhone高，可以选择较低成本的混合材料，在降低关机电压的条件下还可以利用NMC释放更高的容量，可谓一举两得。

IPad4和IPone5电池实际能量密度差不多都接近230wh/Kg，这正是因为IPad降低了关机电压因而可以充分利用NMC在较低电压区间的容量。LCO和NMC不是简单的物理混合，而是混合以后在较低的温度(600～700℃)经过了一个短暂的二次烧结过程。由于元素的相互扩散，使得在混合材料里NMC的产气问题得到一定的抑制，高温存储寿命也有所提高，同时LCO的安全性也改善了，这些可以归功于协同效应。所以，IPad4使用4.35V的上限充电电压也就不难理解了。

高电压LCO专利由加拿大FMC公司申请，但FMC并没有实际生产LCO，而是将专利所有权转让给了比利时Umicore，然后国际上有数家公司间接获得使用授权。国内既没有任何公司购买FMC专利使用授权也没有任何相关专利发表。苹果公司出于知识产权方面顾虑，已经对几个电池厂家指定材料，国内的正极材料厂家基本上已被排除在苹果供应链之外。当然，国内这两年国产智能手机和平板电脑产业发展很快，如果只是国内市场而不出口的的话，国产高压LCO还是有生存空间的。高端LCO在国内能否发展起来，就看国产智能手机和平板电脑产业能否真正做起来和Apple和Samsung三分天下了。

生产工艺的革新

高压LCO电池是个系统，需要高压电解液和生产工艺综合配套才能充分发挥高电压LCO的高能量密度优势。

对高压LCO电芯，最为关键的是与之配套的高压电解液和电池生产工艺，这将直接关系到电芯的循环性和高温荷电能力以及安全性等关键问题。4.3V的高压电解液目前基本上比较成熟，几个国际电解液大厂都可以供货。但是实事求是而言，4.4V高压电解液还有待进一步发展完善。SONY和Samsung(目前已退出苹果电池供应链)还发展了一种比较独特的凝胶(gel)电解质，对提高LCO高温荷电能力和安全性有一定的效果。

除了高压电解液方面的进步，为了进一步提高安全性，这几个公司(ATL、力神、SONY和LG)还从正极或者负极涂覆膜上下了很大功夫。

有的公司选择在正极表面涂覆纳米氧化铝涂层，也有公司选择在负极表面涂覆，目的都是为了提高在高电压下的安全性。纳米氧化铝涂层的基本原理就是在电池热失控而导致膈膜熔断的情况下，起到机械隔离正负极而防止直接短路的目的。至于当前国内炒作得很热门的陶瓷涂覆膈膜，据笔者了解到的情况，苹果电池目前还没有采用。目前IPhone5和IPad4都用的是改性天然石墨，在负极上并没有什么亮点，主要是因为石墨负极成熟度非常高的原因。

发展趋势

下一代IPhone电池将仍然使用高压LCO，因为LCO的高能量密度目前仍然是其它商业化正极材料无法匹敌的，但是我们仍然要认识到LCO电芯在高压下的安全性问题。不管是用固相法还是液相法，都很难做到LCO表面完全被一层氧化物均匀并且完整地包覆，这个技术难题就决定了LCO的上限充电电压不能很高，否则LCO晶体结构坍塌和电解液的氧化分解将不可避免。

全电池4.4V应该是LCO的实际应用上限，更高电压下循环性和安全性都不能保证，尤其是在55度测试条件下。事实上，高端LCO全电池4.4V接近175的实际容量发挥，体积能量密度在近期是没有其它正极材料可以超越的。

对锂电而言安全性在任何时候都是比其它指标更重要的考量。毕竟电芯工艺和高压电解液还不是那么成熟，还需要进一步消化改进完善，所以高压LCO的路线还是要一步一个台阶稳扎稳打。从这个角度考虑，我们就不难理解为什么IPhone5S的上限充电电压还是4.3V而没有提升到4.35V。应该说，苹果在IPhone5S坚持了比IPhone5更严格的安全标准。

据了解，IPhone电池不是没出过问题，只是出了问题通过公关摆平了外界不知道而已。现在苹果已经认识到安全性的重要性，他们希望执行更严格的标准，所以我们看到了IPhone5S的上限充电电压稳定在4.3V而没有像很多人预期的那样到更高压。

最近SamsungSDI一批国内某厂代工的4.35V高压电芯因为质量问题被召回，也间接地验证了高压LCO电池面临的安全性隐患。下一代IPhone6的上限充电电压将会达到4.35V，然后维持一两年以后，再继续升高到4.4V。考虑到国内智能机厂家的跟进，高压LCO将还会有四五年的黄金发展时期。之后，将可能是高压三元材料(全电4.5V)的进一步补充和发展。

苹果一向以技术创新作为盈利的主要增长点，在电池领域也不例外。事实上，苹果非常关注电池领域的新技术，太阳能电池，透明锂离子电池，可弯曲锂离子电池，全固态锂离子电池以及锂硫电池都已经进入了苹果关注的视线。笔者个人预测，透明太阳能电池+锂电这个新电源模式，在不远的将来有可能在苹果新一代IPad或者IPhone上获得实际应用。

锂电产业界的每一点小小的进步，都凝聚着很多人的不懈努力而来之不易。稳扎稳打一步一个脚印，是产业界的不二法则。苹果在IPhone和IPad电池上坚持创新和务实并重的态度，很值得我们学习。