续航爆表15年？！你所不知道的锂亚硫酰氯电池技术大起底

　　无论是儿时的电动玩具，还是当前的智能手机、平板，可能不少人都曾有过“要是电池可以续航久点就好了”的想法。毫无疑问，电池作为能源是我们若干移动应用的原动力。只可惜很多时候受限于技术水平，我们不得不忍受续航的局限，甚至连芯片设计厂商都不得不在提升性能的同时，专门为换代产品优化能耗，以至于能耗管理成为当代芯片设计的一个重要分支。倘若现在告诉你，有一种技术能让电池续航时间长达15年，你会有所期待吗？可能你在意的只是它究竟能不能一劳永逸地解决移动设备的续航能力，那么通过接下来的深度解析，我们将给你最全面、真实的答案。

　　在移动计算越来越受重视的当下，电池续航能力早就进入了不少玩家的关注视线，甚至成为购买智能手机等产品时的重要标尺。而这也是厂商们更加重视电池技术的原动力，开始在这方面加大投入。毫无疑问，更多的投入自然带来了行业的蓬勃发展，近年来我们都看到了不少“科幻”的电池革新技术。但遗憾的是多半都是些纸上谈兵的玩意，实际上现今能投入量产并实用的电池技术主要也就三类。相比其他“科幻”的电池技术，我们今天要谈到的主角也诞生至这三大类中。

　　量产电池的三大分类

　　第一是碱性电池，大家都应该很熟悉，生活中非常常见。其特点是价格便宜，但重量偏大、能量有限且不可再充电。另外，它对放电电流几乎不挑剔，适应性极好，所以生活中应用非常广泛。

　　第二是锂离子电池，这是后起之秀，但在智能手机大行其道的环境下，大家对它可能更加熟悉。其特点是轻便、容量相对碱性电池出色不少、可重复充电等。这些特性使它主宰了移动数码设备市场。当然相比碱性电池，它的价格也较贵。

　　第三类则是锂一次性电池。相比以上两种类型，这个大类中细分的小类非常多。实用的主要有：锂/二氧化锰电池，轻薄小且瞬态放电能力强，容量比锂离子电池稍高。如大家主板上的纽扣电池就是这一类。锂/二硫化铁电池，容量高重量轻，最适合稳定的大电流放电，常用于高档的便携式照相录像机。还有就是锂/亚硫酰氯电池，也就是今天我们要介绍的主角。

　　锂亚硫酰氯简介

　　在正式介绍今天的主角之前，先给读者们介绍两个简单的电池概念——体积能量比和重量能量比。顾名思义，体积能量比就是指示单位体积内电池能够包含电量多少的指标，指标越大，代表你能将额定电量的电池设计得更小，或者在相同体积内提供更大容量的电池。重量能量比也很简单，就是单位重量下，电量的多少，指标越大，代表你能将同等电量的电池做得更轻，或在同等重量下做出容量更高的电池。毫无疑问，这两个概念和当前计算设备既要求轻薄化，又要求长续航的需求有关。

　　Li/SOCl2，锂/亚硫酰氯电池（后文中简称为锂亚电池）是当前能够投入量产并实用的电池系列中，体积能量比与重量能量比双双达到第一的电池类型。我们以投入量产的一号电池为例，一节优质的碱性电池，只能以1.5V的电压释放出15Ah的容量。而一节锂亚电池则能够以3.5V的电压，释放出19Ah的容量。折算成电能量就分别是22.5Wh与66.5Wh，后者几乎是前者的3倍！同时重量方面，用于对比的锂亚电池仅106g，也比碱性电池的145g低了近四分之一。

　　锂亚电池是如何实现体积能量比与重量能量比双双第一的？与大家熟悉的锂离子电池是由锂离子在正极和负极移动来完成充放电不同，锂亚电池以金属锂单质作为电池的负极。锂亚电池中，亚硫酰氯既是正极活性物质，同时还是电解液和溶剂。其反应机理如图2所示：在负极上，金属锂丢失电子。电子通过电池外电路运行到正极，在正极上，亚硫酰基得到电子，形成硫酸根（并可以与负极产生的锂离子结合形成硫酸锂），同时被亚硫酰基丢掉的氯离子也与锂离子结合形成固态物质氯化锂，同时生成单质硫。由于锂离子更容易与氯离子结合，有时硫酸根得不到正电荷只能变成二氧化硫气体。但是由于亚硫酰氯的化学特性，它可以溶解硫和二氧化硫。所以在亚硫酰氯过量的情况下，二氧化硫气体并不会析出，增加电池内部压强，硫也不会沉淀出来覆盖到反应面上，减缓反应速度。无论是锂还是亚硫酰氯，都是活性很强的物质，本身都具有较大化学能。而锂亚电池也是一个把反应物的特点发挥得非常充分的组合。这样一来，就可以节省一部分电池封装材料与安全冗余设置，从而提高“反应物/总体积”比例，让能量密度更高。

　　需要注意的是，锂亚电池反应生成的部分固体和气体可以溶解掉，可我们不应该忘记还有氯化锂沉淀物的生成。这又该如何应对？事实上，我们不仅不需要处理它，还需要依赖它。正是它决定了锂亚电池最重要的特性：长到惊人的寿命与续航。氯化锂沉淀后会在金属锂表面形成一层薄而致密的钝化膜，这层钝化膜会阻止反应的进行，减缓反应速度，渐渐起到隔离金属锂与亚硫酰氯的作用。作为对比，锂离子电池静置一年后就没什么电量了，大部分读者都有体会。而钝化膜的存在使得锂亚电池的自放电率能够低至惊人的每年1%不到！

　　看到如此逆天的自放电率表现，可能不少玩家会兴奋，但别高兴得太早。可谓成也萧何、败也萧何，这种钝化保护膜如果遇到输出电流加大，覆膜又会像蜕皮一样从反应面外侧破裂溶解，同时在内侧重新生成。所以钝化膜也一定程度上增加了锂亚电池内阻，导致负载跳变等应用情况下短暂的输出掉电压问题。而且覆膜大范围破裂、重生也会浪费反应物质，损失续航性能。所以这个钝化膜的特性既决定了锂亚电池的主要优点，同时也决定了它的主要缺点：受众面较窄，更适合放电电流较小且稳定的应用。所以它并不是来替我们解决手机续航的，而是主攻另一个方向——物联网。

　　路在何方？锂亚硫酰氯电池实用电路介绍

　　由于原理限制，锂亚电池不适合以较大的电流放电，而且大约在20mA以下的放电电流工作时能够获得最大的放电效率（也就是此条件下容量能最大化）。可是对于现今大部分电子、数码设备而言，20mA是难以满足工作需要的。但大家都熟悉一个现象：大部分设备，多数时间其实处在待机或轻载状态。这一点为锂亚电池实用化提供了一个关键的突破口，让工程师们找到了缓冲法来弥补放电能力的不足。

　　举一个常见的例子：家里有个漏水的龙头。如果在需要用水的时候，从那儿一点点漏来用肯定很痛苦。不过在漏水的龙头下放个大桶，慢慢积攒起来，然后需要多少就从桶里取多少的话，相对就方便很多。

　　把这个思想转化成电路。锂亚电池是水管，那么我们就还需要一个控制漏水速度的龙头——电能控制芯片，和一个储水的桶——超级电容。它们两个合起来组成的电路称为“电能缓冲电路”，整体原理图如图3所示。工作原理就是通过控制芯片按几乎恒定的速率从电池里取电，为后端的超级电容充电。待机的情况下，电池对超级电容充电，超级电容上的储能会慢慢增多，电压爬升；负载启用时，超级电容成为一个低内阻电源为负载提供电能。

　　图6所示则是德州仪器（TI）提供的工程样板，其目标负载是一个无线报送的智能传感器。在仅使用一节五号锂亚电池的情况下，它的理论持续工作寿命达到惊人的15年以上！即使根据电池应用中理论续航与实际续航中间差的经验，我们在“理论值”的基础上打个7折，该系统的续航能力也在10年以上。作为对比，读者可以回想下电视遥控器，相比这套智能传感器，其耗电也不多，但在两节优质五号碱性电池的驱动下也难以用上1年。

　　物联网福音？锂亚电池应用展望

　　到这里，不少读者应该已经发现，锂亚电池似乎对现有的锂离子电池难以构成替换关系，也不是技术架构的根本性革新。而且其在应用中超长续航时间的一个主要前提还是较低的负载电流。那么，这样一种技术，它的应用优势在哪里？

　　首先我们不要被目前有限的认识蒙蔽了思维，以为只有智能手机和笔记本电脑对电池续航有较高的要求。事实上，可穿戴电子产品、智能家居与物联网等产业的设计者，一直在等待一种高耐久、长续航的电池方案。相比起布线的麻烦、有线连接的使用环境限制以及便携性难题，他们更希望为用户提供便携、长效续航的电池方案。想想要是在万物都连入互联网的时代，家里所有东西都要拖一根电源线，那家中会变成如何糟糕的电线世界？倘若使用当前常见的电池作为能源，则免不了三天两头换电池等各种麻烦。单个设备还好，面对未来数十、上百，甚至成百上千的设备，你将每日都在换电池或为电池充电中渡过，这谁能受得了？因此要想物联网等技术真正进入我们的生活，为我们提供便利的话，就一定需要锂亚电池这种超长续航特性。而且随着具有超低自损耗及较高转换效率的缓冲电路研发越来越成熟，锂亚电池也能应付对电能需求更高的用电器。

　　已经蓄势待发？锂亚电池应用和发展现状

　　虽说并没有进入大众视野，但锂亚电池其实并不算是新鲜事物，在业内早有声望。而且很早之前国家就开始了长期资金资助其进行重点技术攻关，如今更是早已进入到量产阶段。而最先将锂亚电池投入应用的应该是自然科学研究。其用法就是给小型的“穿戴式”定位跟踪设备供电，用来进行濒危动物保护和种群迁徙研究。除此之外，各种恶劣自然环境下的长期采样研究，比如冰川运动、深海探测或者洋流分析等等也在不同程度地用到锂亚电池。这类应用中，设备很可能一天只需要向外传送一到两次收集到的数据，而其余时间都在待机。

　　物联网方面目前已经出现的较典型应用如智能水表、燃气表，用以克服目前这类智能表计布线困难，电池又不耐用的双重尴尬。另外在城市空气质量分布、河道水文监测等一众布线复杂、维护困难、又需要大量信息采集的环境，都将因锂亚电池的普及而受益。事实上，正如前文所说，物联网方面已经等待这样一种技术很长时间，各种针对这种供电特性的表计、传感器都在锂亚电池量产后，抓紧时间疯狂地加快研发和推广速度。

　　智能家居的取电则更加尴尬。以家用传感器为例，如果从家用电的220V变压到几伏，驱动一个1W不到的负载，变压的损耗会比负载还要大。所以虽然家居环境并不缺电，但智能家居的各种小电路却一直受制于供电成本、供电体积等众多因素的影响。锂亚电池的普及，很可能会解决家居中如温度、光照、人体感应等各种低负载智能传感器的供电难题。目前已经出现了一种无须布线的灯具开关，能依靠电池，完成无线控制灯具的开关、调光等。

　　另外，也有消息称某龙头厂商开始研究基于锂亚电池+电能缓冲技术的“非易失”性RAM存储器。大致是用锂亚电池和电能缓冲来刷新DDR内存颗粒，使其在关机断电后也能长时间维持保存的数据，形成DDR硬盘化。令人不禁回想起约十年前技嘉开发出的i-RAM，对这样的用法做出了尝试，不过当时使用的锂离子电池还是弱了些，切断电源后数据只能保存三五天时间。如果基于锂亚电池的DDR硬盘产品能够成功并量产，那毫无疑问将成为发烧友们的盛宴。

　　写在最后

　　就技术层面来说，其实锂亚电池已经面世很久了。但在之前，大家过多的把焦点放在了它的一些固有缺点上。即使电化学研究使劲地尝试优化它，可优化了带载能力就要使自放电出现劣化，这个矛盾在很长时间内阻扰了锂亚电池的实用化步伐。而且带载能力受限，不能替换现有的电池，也是其一直受到冷落的原因。直到近年来有了为它做一个缓冲电路的思路，以及物联网对续航能力的变态要求的双刺激下，行业才从优化缓冲电路的角度，将锂亚电池真正的推向实用。如前文中提到的TPS6274x系列芯片，实际上也是近几个月才发布的测试平台样品。在此之前该芯片一直为特殊定制的产品服务。在这个芯片公布之后，开发样品完全供不应求。足见产业界对它的热情。至少我相信目前还集中在特种行业挣扎的锂亚电池会随着物联网与智能家居的发展，更多地进入到大众视野，真正进入我们的生活。

　　文/耿学宇 邓威