什么是锂电池?

锂电池(LithiumIonBattery,LIB)是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。锂离子电池中的电解液是或凝胶体与聚合物的混合物。电池的正极或负极必须具有类似海绵的物理结构,以接收或释放锂离子。在充电时,锂离子从负极材料移出到电解液中,再像水进入海绵一样地锂离子会嵌入正极的材料孔洞之中,放电的过程则完全相反。现在3C产业常提到的锂电池其实是锂钴电池,广义的可充放锂电池是指由一个石墨负极、一个采用钴、锰或磷酸铁的正极、以及一种可以运送锂离子的电解液所构成。锂离子电池的材料系统在已成功发展出商业化的锂离子二次电池,可以多次充电反复使用,这是因为锂离子二次电池的正极与负所使用的化合物能够容许锂离子的进出,而不会造成材料结构发生不可逆的变化,所以能让锂离子在充放电过程中往返于正负极之间。

锂电池标准电压为3.7 V,充饱时端电压可以到4.2 V。因能量密度高、无记忆效应且循环寿命长,如今许多3C产品都以锂离子电池作为电源。锂电池的缺点为不耐过放与过充,错误使用除了减少电池寿命,甚至会有热失控导致爆炸燃烧的安全性疑虑。市面上绝大部分的锂电池都会配备保护电路,或在电池芯结构上设计防爆机制。

因为锂离子电池的工作原理是正极和负极之间的离子运动。理论上,这种机制应该永远有效,但随着时间的推移,循环、高温和老化会降低性能。所以制造商都采取保守的方法,将大多数消费品中的锂离子电池的寿命指定为 300 到 500 次放电/充电循环。

由于锂离子电池在受热时会受到压力,将电池保持在高充电电压也是如此。电池温度高于 30°C (86°F) 即被视为高温,对于大多数锂离子电池,电压高于 4.10V/cell 即被视为高电压。将电池暴露在高温下并长时间处于完全充电状态可能比多次的电池循环更容易让电池失效。

根据<Battery University>的研究指出,如果在0°C的温度下替电池充电至40%,一年后电池的健康度还能保有刚出厂时的98%,若是一样在0°C的温度下替电池充电至100%,一年后电池的健康度还能保有刚出厂时的94%。但随着充电温度的增加,在充到40%与100%的状态之下,可以看到若是在60°C的状态下充电且充到100%,只要三个月就可以让电池的健康度剩下60%。

资料源:Battery University

由于无线充电时是靠电磁感应的技术,通电后的磁圈会产生磁场变化,驱使电子流动产生可充电的电流,因为电流的产生一定会产生相对应的热能,充电越快热能产生的越高,所以无线充电器不仅仅要让电池充的快,还要能让电池健康度下降的比较慢,因此控制充电时的温度就成了无线充电器最重要的一个考量点。

温度VS充电速度

根据充电时的温度跟充电的速度是否有相关联,这里使用以下设备来进行相关的实验:

原厂MagSafe充电器的表现如下图表所示:

原则上Apple原厂MagSafe充电器在iPhone上

电量方面

电量30%之内的充电时间最短,80%以上的充电时间最长,30到80%的充电部分则是每10%的充电时间接近20分钟的表现。

温度方面

平均约莫都是40度左右,到了80%以后会温度下降,表示Apple在充电速度与温度的控制上表现的最好,不会因为要快速充电而牺牲了电池与充电器的健康度。

Samsung的手机:

则可能是受限于Samsung手机对无线充电器的特性不同,在0%到10%的部份充电时间相对比较久一些,约莫需20分钟,加上手机壳之后的充电时间,也相对不如裸机来的固定,会有忽快忽慢的状况发生, 虽然以温度方面来说,都大约贴近40度左右与Apple差不多,但对比Apple手机来看,表现较为一致,Apple手机在原厂充电器上的充电管理也相对做得比较好。

B牌MagSafe Compatible充电器的表现如下图表所示:

在B牌MagSafe Compatible充电器上,可以得出在Apple手机上的表现跟Apple原厂MagSafe充电器的表现差不多。加上保护壳后,很明显的在Samsung手机上可以一路维持每10% 20分钟左右的充电速度,不会像apple手机在最后80%以后充电时间稍长,在温度方面也是大约都维持40度左右,不像Apple手机80%后会有明显的温度下降,但因为Samsung手机在加了保护壳后一路以相同的速度充到满电,相较于Apple在加保护壳充电这部份对于电池保护的机制可能差了一点,所以对电池的潜在威胁也可能比较大。

C牌MagSafe Compatible充电器的表现如下图表所示:

在C牌的MagSafe Compatible充电器上,Apple手机加手机保护壳后的部份,基本上每10%的充电时间都到了将近40分钟左右,温度方面虽然也是在40度左右,但是在加了保护壳的之后,相对于裸机充电整体充电时间变的很慢,分析可能是因为加了保护壳的厚度之后,MagSafe充电器与apple手机间的电磁感应能力不够强,所以充电很慢。在Samsung手机上则是加了保护壳之后比裸机充电较正常一点,充电时间都大约在每10% 20分钟左右,在裸机充电的时候,从充电曲线可以看出充电时间相当不固定,相较于对比前面的Apple跟B牌,较大的厂牌有经过测试验证的充电器对于手机和充电的安全性会比较有保障。

MagSafe/ MagSafe Compatible充电器的温度量测服务

因未来在手机的连接性上可能会从传统的以连接线充电转向以无线充电的模式进行充电,减少进水进灰尘以利手机减少故障的机率,因此手机支持无线充电已成为手机厂商的未来发展方向,在此前提之下无线充电器的温控以及安全且快的充电速度已成为必要的发展重点,针对MagSafe/ MagSafe Compatible/无线充电器,百佳泰规划以下测试:

  • 兼容性测试 (Compatibility Test)
  • 功能性测试 (Functionality Test)
  • 耐久性测试 (Stability Test)
  • 使用者体验测试 (User Experience Test)
  • 竞争者分析与质量提升咨询 (Competitive Analysis and Consulting)

除上述测试规划之外,百佳泰能根据客户产品的不同作客制化测试规划,可以在产品设计的初期就参与开发与设计,协助客户生产高质量好口碑的商品,另外百佳泰拥有完整且丰富的相关设备,如System、Mobile Phone、USB Hub、Power Delivery Adapter等等,相信以完整的设备及厂牌覆盖率,有信心能为您的产品做好的质量把关!

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