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解析移动电源的三大核心技术及构成
        来源:        作者:        发表时间:2014-10-13        阅读次数:548次

核心提示:随着现代社会生活节奏的加快,移动设备的应用变得越来越广泛。手机移动电源的开发成为众多设备提供商必须处理的难题之一。而实现移动电源的续航能力有效提高者,可以在这一朝阳市场实现利润的可观提高。

移动互联网的发展需要移动电源的支持,在这一领域主要有薄膜电池技术、压电材料技术、无线充电技术。

 
  在移动互联网时代,客户端的使用很重要的一部分在于其使用时间,无论性能多么优异,不能够在脱离有线电源时保持开通的手机,平板电脑或者其余智能产品都不能得到有效应用。
 
  在需要提高电池使用时间的方法上,一种可以降低同时间的电能使用量,比如像iPad,节约了一切可以节约的耗电方式,节省一切可以节省的空间,但这对于飞速发展的IT产品而言委实不适。另一种方法就是提高电池的效能,为产品可以提供更加持续的续航能力,移动互联网的发展需要移动电源的支持,在这一领域主要有薄膜电池技术、压电材料技术、无线充电技术。
 
  薄膜电池
 
  随时随地可以接触到的能量源最为理想的莫过于太阳能。对太阳能的应用是人类有史以来便一直孜孜以求的问题。单晶硅太阳电池虽然在现阶段的大规模应用和工业生产中占主导地位,但是也暴露了许多缺点,其中最主要的问题是成本过高。同时受单晶硅材料价格和单晶硅电池制备过程的影响,若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。
 
  于是产生了其替代品薄膜太阳能电池,其中包括非晶硅薄膜太阳电池,硒铟铜和碲化镉薄膜电池,多晶硅薄膜太阳电池。非晶硅薄膜太阳能电池最重要的优势在于成本低,制备方便,由于其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减,它的不稳定性也很明显。
 
  至于硒铟铜和碲化镉多晶硅薄膜电池的效率较非晶硅薄膜电池高,成本较单晶硅电池低,并且易于大规模生产,还没有效率锐减问题,似乎是非晶硅薄膜电池的一种较好的替代品。只是多晶硅薄膜电池制作过程中产生的大量污染同样不容忽视,其原材料硒、铟、碲等又都是较稀有的金属,进一步降低成本的空间较小。
 
 多晶硅薄膜电池由于所使用的硅量远较单晶硅少,又无效率锐减问题,并用有可能在廉价底材上制备,其成本预期要远低于单晶硅电池,实验室效率已达18%,远高于非晶硅薄膜电池的效率。因此,多晶硅薄膜电池被认为是最有可能替代单晶硅电池和非晶硅薄膜电池的下一代太阳电池,现在已经成为国际太阳能领域的研究热点。

  太阳能薄膜电池生产成本较低,其市场份额近年持续增长。目前光电转化率最高的是铜铟镓硒太阳能薄膜电池,可达20%,但与超过30%的理论值仍相距甚远,其主要难题是材料中的铟、镓分布和比例难以达到理想值。

  尽管薄膜电池的技术要求较高,但在移动互联网时代,这仍是一个充满机会的产业。在国内,中国规模最大、出口金额最多现代化家用纺织品生产商,目前孚日股份却拥有薄膜太阳能电池组件的生产、研发以及晶体硅太阳能电池组件生产这两块光伏业务。据称,其全资子公司孚日光伏科技有限公司目前正在与德国博世公司洽谈下一步合作方式,其中包含股份转让等计划。孚日光伏生产的铜铟硒薄膜太阳电池组件,属第二代光伏技术中光电转换效率最高的薄膜太阳电池,其对可见光的吸收系数和光电转换效率是所有薄膜太阳电池材料中比较高的。

  而在美国,美国盛产太阳能公司也在印第安纳州建设一座大型太阳能薄膜电池组件制造厂,规模或是全美最大。

  对太阳能的应用,其效率和清洁毋庸置疑,实现太阳能的薄膜电池有效使用,对于移动设备的使用扩展,将起到非常明显的作用。

 

  图1 薄膜电池

  压电材料

  压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电效应的原理是,如果对压电材料施加压力,它便会产生电位差,称之为正压电效应;反之施加电压,则产生机械应力,称为逆压电效应。在最近几十年里逐步扩大压电材料的使用范围,如今发现它是人类最具实用价值的新能源。使用压电材料做风力发电机与电风扇的风轮叶片,与空气新能源组合在一起使用,丝毫不影响风力发电机与电风扇的功能与效率,又能实现不额外消耗任何能量而获得具有实用价值的电能,使风力发电机提高效率,使电风扇能够成为发电机,能使空气新能源的效率成倍增长。

  压电材料是当前最理想的新能源材料,使用压电材料与空气新能源组合,这种新能源结构产出的能源能够满足全人类的能源需求,如果这种新结构的能源得到充分使用,就能进一步减少温室气体排放,放慢地球变暖的速度,为人类环境发展方向引向良性。

 

  图2 压电材料

  无线充电技术

  无线充电技术最重要的是两件东西,一个是插座上的发信器,另一个是电子产品上的接收器,只要在一定的范围内,电源就可以瞬间实现有效传送。
  2010年9月1日,全球首个推动无线充电技术标准化组织——无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国。信息产业部通信电磁兼容质量监督检验中心也加入该组织。LG电子也推出了旗下首款无线充电器WCP-700。
  无线充电技术采用统一的工业标准,对于手提电话、PMP/MP3、数字照相机、手提电脑等产品都可以使用全新的低能耗、高兼容的相同的无线充电器。这个充电器类似一个托盘直接插到电源上,获得联盟认证的带有“Qi”标识各企业的不同品牌的手机直接放在上面就可完成充电。对于不同的电子产品,电源接口能自动对应,需要充电时,发射器和接收芯片会同时自动开始工作,充满电时,双方会自动关闭。它还能自动识别不同的设备和能量需求,进行‘个性化工作’,这就是智能。
  3月30日,移动平台和半导体领域企业ST-Ericsson又推出了一款电源管理解决方案,大大缩短相对于移动设备在墙壁插座充电的时间。这一创新成果是其PowerHUBTM产品之一,该产品能够采集众多渠道能源,不仅是用户更快充电,还可以有效降低温室气体排放。
  现在,为了消费者的安全和便利,无线充电技术人员在近距离无线充电技术开发的同时,也对远距离充电开始进一步研究。一旦实现了这种技术,不光是小功率的移动设备,即使家用电器,医疗设备,办公用具等都可以实现无线充电,可以边用边充而无需电池。

  图3 无线充电技术
  结语
  随着现代社会生活节奏的加快,移动设备的应用变得越来越广泛。手机移动电源的开发成为众多设备提供商必须处理的难题之一。而实现移动电源的续航能力有效提高者,可以在这一朝阳市场实现利润的可观提高。
  同时,移动电源也是与人们生活息息相关的技术,让人们可以实现随时随地都如在家在办公室一样实现电子设备的充分使用,方便人们的工作娱乐。

移动电源虽然是很多人出门必备的单品,但大多数使用者们可能对它的内部构造其实并不了解。记者日前采访了多家移动电源的制造商,向大家解密移动电源的构成。

  电芯所占成本最高
  一般而言,移动电源主要由三个部分组成:电芯、电路板和外壳。
  目前市面上常见的电芯有三种。第一,通常形状为圆柱形的移动电源采用的是18650锂离子电芯。目前有70%左右的移动电源还在使用这种电芯。
  第二,形状为薄片的是锂离子聚合物电芯,它优点很多,是未来的发展方向,目前越来越多的移动电源采用这种锂离子电芯。
  第三,采用铝壳的锂离子电芯。这种是目前市面上最少的,几乎已经被淘汰。
  这三种电芯中,聚合物电芯性能最好,电池容量大,安全性好,还可以定制成不同形状,一般用于高端产品。但其缺点是成本高,相同容量的聚合物电芯比18650锂离子电芯贵出一倍以上。
  18650电芯目前被普遍使用,其制造成本较聚合物电芯低很多,原因是它能以同一规格大规模生产。但其缺点在于安全系数较低,能量密度也较低。18650电芯的生产过程对环境要求很高,需要控制温度和湿度,是一个高污染的行业。
  电芯在移动电源总成本构成中约占60%,是移动电源的最核心部件。不管是哪一种电芯,主要都由四个部分构成,包括正极材料、负极材料、电解液和隔膜。电解液还可分为液态电解液和凝胶电解液。
  目前,所有与移动电源相关的技术革新都来集中于电芯领域。电芯行业是整个移动电源产业链中进入门槛最高的环节,单家企业投资额至少是千万元级别。
  目前,世界上最领先的电芯制造商都来自日本和韩国公司,如三星、松下(7.24, 0.00, 0.00%)和LG等,他们的18650电芯至今保持着容量最大的纪录,单颗容量可以做到3000毫安以上。著名的Tesla跑车的电池系统就使用松下的NCA(镍钴铝)体系18650电池,一辆Model S上有7104颗这样的18650电池。
  目前,电芯容量持续增加的突破点,就在于电池的正极材料。目前最常见的正极材料是磷酸铁锂,其容量密度不如Tesla使用的NCA(镍钴铝)体系,但成本较低,安全性也好。
  目前我国国产的18650电池一般可以做到2200-2800毫安的容量,其中比较知名的品牌有比克国际(天津)、创明电池、东莞锂威、亿纬锂能(300014)、杉杉股份(600884)等等。比亚迪(1211.HK)等企业则是正极和负极材料的知名生产商。一般一颗国产18650(2400MAH)电芯的价格在6.5元左右,一节三星的18650(2400MAH)电芯的价格在8.5元左右。
        电路板和包装
  在电芯外面,需要连接上电路板,再加上外壳,才构成一个完整的移动电源。
  在移动电源中,电路板是一个很小的芯片,它的作用是管理电池系统。业内人士告诉记者,每个电路板的成本一般在10元以下。而在移动电源电路板上,还有一个保护芯片,其成本只有1-2元。虽然它成本很低,但作用却很大。保护芯片有两个模块,分别是短路模块和升压及降压模块,这是保护移动电源安全的一道屏障。电路板在移动电源总成本中的占比为10%-15%左右。
  消费者对移动电源产品外壳的要求也在提高。一般移动电源外壳的材质分为两种,塑料和铝合金。业内人士告诉记者,外壳的成本一般在10元以下,再加上产品的包装,两项占到移动电源总成本的10%-15%。目前比较好的塑料外壳,都采用超声波工艺制作,其优点在于非常美观,从外表看没有接缝,缺点则在于不能打开维修,如果电芯和电路板损坏了,只能砸坏外壳一探究竟。
  记者在深圳华强北市场走访时,发现目前很多移动电源还有附加功能,最常见的就是手电筒功能。记者了解到,一个LED灯的成本大约在0.3元左右。
  业内人士告诉记者,消费者在购买移动电源时,除查看产品的容量标示、品牌标示外,也可观察其USB接口的制作工艺,来直观地判断该产品是否制作精良。

 

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