笔记本电脑的能源危机

笔记本电脑用户外出商务旅行时，总不忘将电脑中的充电电池充足电，然后拆除CD-ROM驱动器，在此安装上第二块电池，最后在公文包内再带上第三块电池。很多用户需要在漫长的飞行时连续地工作,不仅如此，他们还希望使用高能耗的功能，比如无线网络。更快、更强笔记本电脑的需求在电池所能提供的和系统所需要的之间造成了巨大的功率缺口。

尽管笔记本电脑不断地从摩尔定律中受益，电池却没有这么幸运。电脑的未来还得依靠已有百年之久的，进展缓慢的电化学技术。这不是说电脑电池的性能没有提高，要是将今天的电池放在5年前生产的电脑中，8小时电池寿命还是绰绰有余的。问题在于，笔记本电脑需要更大的功率。

电池寿命已成为选购笔记本电脑最重要的3个指标之一。生产厂商追求更高的性能，更快的无线连接，系统要更轻薄，这进一步压缩了电池的空间。英特尔的迅驰移动芯片确实减少了功耗，将工作时间从2~3小时提高到5个小时，但这仍不能满足用户8小时工作的愿望。8小时工作至少需要100wh（瓦时）功率，而目前最好的电池技术（锂离子电池）的输出功率不足60wh（参见图1）。

最近，供应商们逐步认识到问题的结征所在。这些年来，电池技术的研发资金相对地说是不够的。不仅仅如此，政府部门和私人企业将业量的研发资金投入到燃料电池中，而注入电池的基础性设计工作资金却极其匮乏。由于燃料电池的应用在7、8年后才有望实用化。投资方向的偏离最终造成了目前功率缺口的局面。

充分挖掘电池的潜力

自锂离子电池在上个世纪九十年代初问世以来,生产厂商已对它的性能进行了重大改进。在过去的5年里,锂离子电池在移动电脑设备中已取代了NiCd和NiMH技术。锂离子电池具有较高的单位体积能量密度;不存在NiCd电池会缩短寿命的记忆效应;而且从环境方面考虑,镉是一种有害金属,会污染环境,锂离子电池比NiCd电池要安全得多。

镍基化学电池已达到它的容量极限 ,锂离子电池却总有小的收获。近几年来,其容量一直以每年10%的速率递增着。而成本以每年10%~20%减少。另一方面,虽然锂离子电池还未达到它的理论极限,但业界一致认为，可预期的结果还不足以弥补功率的缺口。这一结论激发了电池研究的新一轮热潮。

Electrovaya公司采用锂离子聚合 物技术,使用类凝胶电解液。尽管未实现早期的承诺,该项技术成本比锂离子电池高,能量密度亦有突破性的进展。但它确有一个突出的优点,聚合物基电池可以加工成适合小型设备安装的扁平外形,而锂离子电池公司限示圆柱形设计。日本 Pionie公司已展示了一个电池样品,其能量密度可达600wh/l.目前,多数锂离子电池在200wh~250wh/1之间。除了聚合物,也有其它供应商正在开展基于锂硫和锂磷一类材料的设计。

即便是传统的碱性电池也想重返历史舞台。锌基碱性电池的充放电周期仅为10次左右。某些公司用聚合物基配方来替代碱性电池传统的电解液,以增加充放电周期的次数,获得了数百次周期的可喜成果,能量密度可达600wh/1。预期2006年生产出笔记本电脑用电池。

各种便携式电池备选方案示于表1。

燃料电池任重而道远

长期以来，绝大多数供应商将希望寄托在燃料电池上。政府部门和私人企业花巨资投入燃料电池的研究,有60多家公司正在从事功率电子学的设计。燃料电池以氢氧化合或甲醇氧化合来形成化学反应。最流行的设计是直接甲醇燃料电池，使用甲醇或甲醇/水混合物燃料。燃料电池有望提供极高的能量密度。其更换燃料罐的工作方式确保几乎是无穷的功率。小至1CC的燃料能产生1Wh的电。足够手机工作2个小时。但是，该项技术也面临诸多挑战。首先是燃料电池十分复杂，需要一个引擎成反应堆；微型泵，传感器和相关电子电路；通风装置；以及燃料罐（见图口）。将电池的体积压缩到笔记本电脑可使用的大小，且可按合理的价格出售，可靠地工作，是工程上主要障碍。

其次，燃料电池的效率不高，约有70%的能量转化无用的热量，仅10%转化为电池功率，给笔记本电脑设计师出了一个难题，他们必须面对热的挑战。系统应设通风装置来排出少量的二氧化碳和水蒸汽。燃料电池的反应速度较慢，无法快速响应突然增加的功率要求。因此，早期设计，如Intermec Technologies 公司的IP3 RFIC读出器样机，其燃料电池是与锂离子电池配合使用的。IP3燃料电池在为RFID读出器直接供电的同时，还要向电池连续充电。55CC烯料罐可连续工作30个小时，而传统电池仅为10个小时。也有供应商正在进行超级电容的试验，这是一种固体器件，为峰值负荷提供短暂的补充功率。

东芝公司是烯料电池最大的投资商。它已展示了一个“更换舱”设计的样机，“更换舱”作为一个外部构件附加在电脑上。当然，在有关标准正式出台前还不会有实用的产品。标准燃料混合物和燃料罐设计需得到公众的广泛接纳，其安全性和使用方法的法规还需有关部门的批准。特别是在飞机上，想要通过一个法规，允许在民用飞机上携带可燃性甲醇罐，并不是一件容易的事。

有关专家指出，在过去一段时间里，烯料电池生产者已迈出了可喜的一大步，电池体积缩小了50%，测试单元的能量密度超过了锂离子电池。预计今明两年会有少量的早期燃料电池供应，到2007年慢慢地增加到几千个产品，而2010年将是燃料电池蓬勃发展的一年。

（东华）

表1、便携式电池备选方案

品种

优点

缺点

NiCd

能以低廉的价格提供高功率，充放电快速

能量密度低；有记忆效应，若维护不当会缩短电池民寿命，Cd电池污染环境，很可能被淘汰。

NiMH

高放电率；在同等体积下的输出功率比NiCd大；无记忆效应。

充放电周期为300~500次，相比之下NiCd为1，500次。

锂离子

兼备重量轻，能量密度高；无记忆效应；充放电周期与NiMH相同。

比较昂贵；化学反应不稳定，需要特殊的安全机构以及严格的生产控制。

锂离子聚合物

特性与锂离子相同，但可以压铸成极轻薄的外形

比传统锂离子更昂贵

可重复使用碱性电池

不使用时放电率低；每月仅为0.3%，相比之下锂离子为10%，NiMH为30%。

充放电周期限于50次，相比之下锂基电池为300~500次。

直接甲醇烯料电池

工作时间长，给器件补充燃料能延长工作时间。

仍处于样品阶段，2010年前不会有成熟的产品，效率不高，产生无用的热量；反应速率过慢，无法适应峰值负荷要求。

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