充电过程何须漫长的等待?

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近年来数码产品的功能和性能不断增强，给我们的生活提供了极大的便利。不知大家发现没有，大到笔记本电脑，小到智能手机。MP3/PMP播放器，它们的电池容量也在快速增长――对于目前的笔记本电脑来说，超过4000mAh的电池比比皆是，而超过1000mAh的智能手机电池恐怕也只能算是“标配”。为了增加移动设备的续航能力，几乎所有的厂商都在增加电池容量。容量大点，电池重点倒也没有太大关系，但是动不动几个小时的充电时间着实让很多人“消受”不起……，你的笔记本电脑完成一次充电需要多长时间呢，你的手机，PMP播放器又需要多长时间呢?有没有办法让充电过程更快一些?

电池容量暴涨背后的尴尬

随着数码产品功能和性能的不断增长，从笔记本电脑到智能手机，几乎所有数码设备对电池容量的需求都较以往大幅提升。随之而来的是一个令众人头痛不已的问题，如何在电池容量不断增加的前提下保持合理的充电时间?毕竟动辄几个小时的充电时间让消费者难以接受，而且如果有朝一日大容量电池的充电时间超过十个小时，那么就算是续航能力再强，恐怕也难以让消费者为之买单……

从根本上来说，电池的容量与充电时间是XC不可调和的矛盾，从早期的镍镉电池，镍氢电池一直到现在普遍流行的锂离子聚合物电池(后文中简称锂电池)都是这样。但近年来众多厂商也开始在充电技术上投入大量的研发资源，希望能够让电池的充电时间不断缩短，迄今为止已经有了不小的进步。如三洋研发的快速充电器能够将4节2300mAh AA电池的充电时间控制在15分钟之内。电池的充电时间能否百尺竿头再进一步，我们能否告别漫长的充电等待时间呢?带着这些疑问，现在就让我们走近快速充电技术。

传统电池为什么集体“抵制”快速充电?

如果说到充电电池，大家肯定会想到三大类――镍镉、镍氢还有锂电池，三者也是我们日常使用中最常见的三类充电电池。下面我们就从原理上去看看为什么这些电池的充电过程缓慢无比。限制它们快速充电的瓶颈叉在哪里?

镍镉电池

镍镉电池的原型早在上个世纪初就已经研制成功，但是限于昂贵的材料直到1947年才迎来的一次巨大的突破――密封型镍镉电池。密封型镍镉电池的正极材料是氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料是海绵状的镉粉和氧化镉粉，电解液是氢氧化钠或者氢氧化钾溶液。充电过程中正极的活性物质转化为氢氧化镍，负极上的活性物质转变为金属镉；放电时正极处的活性物质为氢氧化亚镍。负极处的活性物质变为氢氧化镉。

镍氢电池

镍氢电池(Ni-MH)的原理和镍镉电池大致相同，只不过是将正极材料换成了NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时)，负极板的活性物质为H2(放电时)和H2O(充电时)，电解液采用30％的氢氧化钾溶液。镍氢电池具有较大的能量密度比，这意味着可以在不增加设备重量的情况下有效延长工作时间。

锂离子聚合物电池

锂电池的内部结构要比镍镉、镍氢电池更加复杂，其基本原理是利用一个可“嵌入”锂离子的化合物正极，配上一个可以“释放”锂离子的负极，通过锂离子在正负电极之间的移动来完成电池的充电和放电任务。

从简单的电池原理中我们不难发现，现阶段的可充电电池都是通过化学反应将化学能转化为电能，反过来在充电过程中则是将电能转化为化学能储存起来并释放出热量。从表面上看这个过程进行的快慢与否并没有太大影响，其实不然，剧烈的化学反应以及产生的热量可能会严重破坏电池的内部结构，甚至引发危险。这也是为什么这些电池不能够无限制提高充电速度的原因所在。

充电方式的选择：恒压、恒流还是智能调控

我们随便找一个充电器，都可以在其铭牌上看到这样一段指标参――Output 1.2V/500mA。这就是充电时的电压以及电流参数，如果我们用这个充电器给一节2300mAh的AA电池充电，最快也需要4个多小时。于是有朋友会想到，我们把电流提高到4600mA不就可以在30分钟内充电完毕了吗?

虽然制作出大电流的充电器并不困难，但是这将不可避免地遭遇电池发热问题，镍氢、镍镉以及锂电池的原理决定了充电时电压和电流越大，电池内部的化学反应就越剧烈，一旦超过电池的极限，就可能导致爆炸造成财产损失，因此追求快速充电的过程必须在绝对安全的前提下进行。

早期镍氢以及镍镉电池的充电器比较简单，大都采用恒压或者恒流的充电方式。其中又以恒压电路设计最为简单，这种电路对电池充电时，电池两端的电压决定了充电电流，充电初期电流很大，而到了中后期则电流逐渐降低，由于电池发热后引起的连锁反应，因此恒压充电极容易导致热量失控，进而造成电池损坏。

所谓恒流方式，顾名思义就是在充电过程中保证电流的大小恒定不变，而加在电池两端的充电电压会动态调整；不可否认，恒流充电方式具有极高的电池充电效率，但是却很容易造成过充而引发电池故障。

如今的高级充电器一般都使用恒压和恒流混合方式，以期在电池寿命和充电时间上取得一个平衡。值得注意的是，锂电池过充或者过热都会引起爆炸，所以一切锂电池都必须采用混合充电器进行充电。

采用恒压/恒流混合充电器对电池充电时，整个充电过程会被分为两个阶段――先恒流充电以保证充电效率，到接近终止电压时切换到恒压充电方式来保证安全。以标准的4.2V1600mAh锂电池为例(终止电，压4.2V)，我们先以800mA的恒定电流对电池进行充电，这时电池的电压会以一个较大的斜率升压；当快要接近4.2V时，切换到恒压模式，直到电流不断减小，随着电流小于80mA时，充电器的控制电路会认为电池已经充满，等待几分钟后结束充电过程。在整个充电过程中，充电器还会对电池的温度变化实时监控，一旦电池温度超过了上限，则自动停止充电，以免电池发生意外。

电流与温度的第一次博弈：快速脉冲充电技术

对于动辄1800mAh以上的AA电池，无论是使用传统的恒压方式还是恒流方式要完全充满都需要最少6、7个小时的时间才能完成，为了进一步缩短充电时间，众多电池厂商开发了脉冲式充电方式，从而获得了充电时间上的第一次突破。

电池厂商的深入研究发现，让电池温度快速升高甚至导致体积膨胀损坏的罪魁祸首就是化学反应所产生的气泡(镍镉、镍氢)。在快速充电过程中产生的气泡会聚集在极板附近，相当于减少了极板的有效面积，使得电池内阻增大；与此同时由于极板有效面积缩小，导致全都充满所需要的时间会更长。更深入的研究发现，如果在气泡出现的瞬间加入一个极短的放电动作，就可 以让气泡离开极板并与极板上的氧复合。这个瞬间放电的过程有利于减小电池的内部压力、温度和内阻，同时充入的大部分电能转化为化学能而不会转变为气体和热量白白浪费掉。

快速脉冲充电方式也正是基于这个理论。快速脉冲充电实际上就是用脉冲电流对电池充电。然后有一个极短的放电过程，如此循环。以三洋的MR57快速充电器为例，该充电器的一个充电周期是5s，快速充电时先用4.5s的高强度电流为电池充电，然后是0.5s的休整期(期间包括快速放电过程，只是少量放电)，充电电流的脉冲占空比为90％。

在采用脉冲充电方法时，充电电流可能会是常规充电电流的十几倍甚至几十倍；在充足电之后，如果不能及时停止脉冲电流，将会导致电池的温度和内部压力快速上升，进而引发危险。所以绝大部分厂商在采用脉冲充电方式的时候，都会使用单片机作为控制源，对电池的温度、电压、电流以及充电时间进行严格的控制。从一定程度上来说，一套良好的充电算法，很大程度上决定了快速充电器的好坏。

与此同时。与超高速充电器配台的还必须是特制的电池。例如日本三洋公司和美国Rayovac达成协议，双方使用后者开发的“I-C3系统(in-cell-charge-control system)”量产15分钟的快速充电器和充电电池。三洋公司并没有透露更多有关该系统的细节，但是业界普遍认为I―C3系统就是一个控制电池内部压力，避免电解液溢出的方案。I-C3系统通过增大了的电池内阻(改变内部电流的流通路径)，并在正极端子附近设计了可机械阻断电流的开关装置，以此检查电池是否充满电并进行充放电的电流控制。

虽然改进充电器可以很大程度上提高充电速度。但是对于锂电池来说，提高极限电流的作用相当有限。这是因为锂电池特有的性质――锂电池在内部压力过高、过热的情况下就会发生猛烈燃烧和爆炸，业界认为锂离子的极限电流一般不会超过5C。与此同时，当电流达到标称值之后，仍然需要一段时间的滑流充电。这样一来，初期的大电流充电可以让电池的电压迅速接近标称值，但是后期的涓流充电时间会很长，抵消了大电流充电所带来的优势。

让充电过程来得更猛烈些吧!――对电池内部的改进

要让锂电池的充电时间更短，最好的办法还是更改锂电池的设计和配方。

在2005年的时候，东芝就宣布成功开发了充电时间只需要1分钟的锂电池，这种电池在一分钟以内就可以充电到全部容量的80％，比一般锂离子电池的充电速度大约快60倍；不过它的能量密度只有150～250 Wh/L，明显低于主流锂电池的600Wh/L，以至于东芝最后拿出的样品只有可怜的600mAh(这点电量给笔记本“塞牙缝”都不够)。这种电池使用钴材料作为电池的阳极，以非碳性材料作为阴极，但东芝仍坚持它属于锂电池的范畴，因为电荷的运动依赖于锂离子。

东芝研制出的这种新电池在负极上均匀覆盖了一层几百纳米厚的纳米粒子涂层，并且使用了新配方的电解液。正是借助纳米技术的帮助，大量的锂离子能够快速移动到阴极，并在充电模式中将锂离子存储在这些纳米材料上。根据东芝的官方说明。这种新电池在40～40℃的环境下都能够正常工作，而普通锂电池在低温环境下会完全失效；另外一点突破就是电池的充放电次数，普通锂电池只有600～800次，而新电池反复充电1000次之后，只损失了5％的容量。可惜的是这种电池的电压要低于业界标准，而且电池在研发成功后，东芝便将旗下的AT电池公司转卖给三洋，并随后取消了量产计划。

虽然东芝的快速充电技术胎死腹中，但是NEC却仍然在进行这方面的研究。不久之后，NEC推出了30秒快速充电的锂电池，并将其称为“有机游离基电池”，该电池使用特殊树脂储存电能，已经试制了2cm×2cm×4mm以及名片大小厚5mm的两种类型。NEC指出此类电池的成本将远远低于锂电池，与普通镍镉，镍氢电池相当，不过可惜的是这种电池同样遇到电容量较小以及电压偏低的问题。

尽管三洋和NEC向我们展示了一个完全无需充电等待的未来，但是这些新的电池技术要真正实现大规模的量产，仍然有很长的路要走。为了尽快解决当前锂电池安全系数低、充电慢的顽疾，许多厂商开始着手对锂电池的电极和电解液进行改良，以便迅速投入量产。2007年2月，一家名为Boston Power的公司向世人展出了全新改良的锂电池设计。这款被称作“Sonata”(奏鸣曲)新型锂电池采用了给予纳米技术的电极和改良后的电解液，使得电子在电池两极之间的移动速度大幅加快，从而获得30分钟即可充满80％的高速充电能力。

在安全性方面，Sonata也有了更佳的表现。Sonata锂电池以合金外壳替代一般锂电池上的铁材质外壳，可以避免电池外壳损坏带来的爆炸和燃烧。与此同时，Sonata电池还在电池内部增加了新的压力、温度感应系统，一旦电池过热或者内部压力过大，就会立刻锁定电池。在量产速度上，Sonata的优势更是明――Boston Power宣称它们的电池随时可以量产，并且无需对现有充电器进行改进。

就在电池制造商不断攻克难题的时候，笔记本电脑巨头以及老牌电池制造商也加入了这波改良热潮中。早在2006年底Dell就宣布为旗下商用Latitude笔记本加入ExpressCharge快速充电技术，在ExpressCharge快速充电技术的帮助下，笔记本电脑只要处于关机状态就能在一小时内充满80％左右的电量。尽管Dell并没有透露太多的相关细节，但我们认为Dell的ExpressCharge更多的是通过对充电器的改良以实现更快的充电速度。

Dell改良充电器后获得了极短的充电时间，而联想Thinkpad则运用了全新的锂电池。今年5月份时，Thinkpad的技术人员对外宣称，新型锂电池能在5分钟内将电池容量从0冲到25％的秘密就在于使用了新开发的锂金属材料作为电池的电极，并且运用了改良配方后的电解液，这样电池就可以承受更大的充电电流，从而获得极短的充电时间。有趣的是，尽管Thinkpad宣称能在5分钟内将电量提升到25％，但却并没有披露完全充电所需要的时间。

写在最后

由于当今电池技术限制，几乎所有用户都曾经遇到过电池没电无法使用设备的尴尬，更有许多用户会随身配备2块手机电池，甚至是2块笔记本电池以备不测。在快速充电技术的帮助下，相信在不久的将来我们只需抽出做早餐的几分钟时间为设备充电，就可以获得全天的续航能力，摆脱供电枷锁的日子，正快步向我们走来。