筆記本電腦的能源危機(jī)

　　筆記本電腦用戶(hù)外出商務(wù)旅行時(shí)，總不忘將電腦中的充電電池充足電，然后拆除CD-ROM驅(qū)動(dòng)器，在此安裝上第二塊電池，最后在公文包內(nèi)再帶上第三塊電池。很多用戶(hù)需要在漫長(zhǎng)的飛行時(shí)連續(xù)地工作,不僅如此，他們還希望使用高能耗的功能，比如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。更快、更強(qiáng)筆記本電腦的需求在電池所能提供的和系統(tǒng)所需要的之間造成了巨大的功率缺口。

　　盡管筆記本電腦不斷地從摩爾定律中受益，電池卻沒(méi)有這么幸運(yùn)。電腦的未來(lái)還得依靠已有百年之久的，進(jìn)展緩慢的電化學(xué)技術(shù)。這不是說(shuō)電腦電池的性能沒(méi)有提高，要是將今天的電池放在5年前生產(chǎn)的電腦中，8小時(shí)電池壽命還是綽綽有余的。問(wèn)題在于，筆記本電腦需要更大的功率。

　　電池壽命已成為選購(gòu)筆記本電腦最重要的3個(gè)指標(biāo)之一。生產(chǎn)廠商追求更高的性能，更快的無(wú)線連接，系統(tǒng)要更輕薄，這進(jìn)一步壓縮了電池的空間。英特爾的迅馳移動(dòng)芯片確實(shí)減少了功耗，將工作時(shí)間從2~3小時(shí)提高到5個(gè)小時(shí)，但這仍不能滿(mǎn)足用戶(hù)8小時(shí)工作的愿望。8小時(shí)工作至少需要100wh（瓦時(shí)）功率，而目前最好的電池技術(shù)（鋰離子電池）的輸出功率不足60wh（參見(jiàn)圖1）。

　　最近，供應(yīng)商們逐步認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的結(jié)征所在。這些年來(lái)，電池技術(shù)的研發(fā)資金相對(duì)地說(shuō)是不夠的。不僅僅如此，政府部門(mén)和私人企業(yè)將業(yè)量的研發(fā)資金投入到燃料電池中，而注入電池的基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)工作資金卻極其匱乏。由于燃料電池的應(yīng)用在7、8年后才有望實(shí)用化。投資方向的偏離最終造成了目前功率缺口的局面。

充分挖掘電池的潛力

　　自鋰離子電池在上個(gè)世紀(jì)九十年代初問(wèn)世以來(lái),生產(chǎn)廠商已對(duì)它的性能進(jìn)行了重大改進(jìn)。在過(guò)去的5年里,鋰離子電池在移動(dòng)電腦設(shè)備中已取代了NiCd和NiMH技術(shù)。鋰離子電池具有較高的單位體積能量密度;不存在NiCd電池會(huì)縮短壽命的記憶效應(yīng);而且從環(huán)境方面考慮,鎘是一種有害金屬,會(huì)污染環(huán)境,鋰離子電池比NiCd電池要安全得多。

　　鎳基化學(xué)電池已達(dá)到它的容量極限 ,鋰離子電池卻總有小的收獲。近幾年來(lái),其容量一直以每年10%的速率遞增著。而成本以每年10%~20%減少。另一方面,雖然鋰離子電池還未達(dá)到它的理論極限,但業(yè)界一致認(rèn)為，可預(yù)期的結(jié)果還不足以彌補(bǔ)功率的缺口。這一結(jié)論激發(fā)了電池研究的新一輪熱潮。

　　Electrovaya公司采用鋰離子聚合 物技術(shù),使用類(lèi)凝膠電解液。盡管未實(shí)現(xiàn)早期的承諾,該項(xiàng)技術(shù)成本比鋰離子電池高,能量密度亦有突破性的進(jìn)展。但它確有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn),聚合物基電池可以加工成適合小型設(shè)備安裝的扁平外形,而鋰離子電池公司限示圓柱形設(shè)計(jì)。日本       Pionie公司已展示了一個(gè)電池樣品,其能量密度可達(dá)600wh/l.目前,多數(shù)鋰離子電池在200wh~250wh/1之間。除了聚合物,也有其它供應(yīng)商正在開(kāi)展基于鋰硫和鋰磷一類(lèi)材料的設(shè)計(jì)。

　　即便是傳統(tǒng)的堿性電池也想重返歷史舞臺(tái)。鋅基堿性電池的充放電周期僅為10次左右。某些公司用聚合物基配方來(lái)替代堿性電池傳統(tǒng)的電解液,以增加充放電周期的次數(shù),獲得了數(shù)百次周期的可喜成果,能量密度可達(dá)600wh/1。預(yù)期2006年生產(chǎn)出筆記本電腦用電池。

　　各種便攜式電池備選方案示于表1。

燃料電池任重而道遠(yuǎn)

　　長(zhǎng)期以來(lái)，絕大多數(shù)供應(yīng)商將希望寄托在燃料電池上。政府部門(mén)和私人企業(yè)花巨資投入燃料電池的研究,有60多家公司正在從事功率電子學(xué)的設(shè)計(jì)。燃料電池以氫氧化合或甲醇氧化合來(lái)形成化學(xué)反應(yīng)。最流行的設(shè)計(jì)是直接甲醇燃料電池，使用甲醇或甲醇/水混合物燃料。燃料電池有望提供極高的能量密度。其更換燃料罐的工作方式確保幾乎是無(wú)窮的功率。小至1CC的燃料能產(chǎn)生1Wh的電。足夠手機(jī)工作2個(gè)小時(shí)。但是，該項(xiàng)技術(shù)也面臨諸多挑戰(zhàn)。首先是燃料電池十分復(fù)雜，需要一個(gè)引擎成反應(yīng)堆；微型泵，傳感器和相關(guān)電子電路；通風(fēng)裝置；以及燃料罐（見(jiàn)圖口）。將電池的體積壓縮到筆記本電腦可使用的大小，且可按合理的價(jià)格出售，可靠地工作，是工程上主要障礙。

　　其次，燃料電池的效率不高，約有70%的能量轉(zhuǎn)化無(wú)用的熱量，僅10%轉(zhuǎn)化為電池功率，給筆記本電腦設(shè)計(jì)師出了一個(gè)難題，他們必須面對(duì)熱的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)通風(fēng)裝置來(lái)排出少量的二氧化碳和水蒸汽。
　　
　　燃料電池的反應(yīng)速度較慢，無(wú)法快速響應(yīng)突然增加的功率要求。因此，早期設(shè)計(jì)，如Intermec  Technologies 公司的IP3  RFIC讀出器樣機(jī)，其燃料電池是與鋰離子電池配合使用的。IP3燃料電池在為RFID讀出器直接供電的同時(shí)，還要向電池連續(xù)充電。55CC烯料罐可連續(xù)工作30個(gè)小時(shí)，而傳統(tǒng)電池僅為10個(gè)小時(shí)。也有供應(yīng)商正在進(jìn)行超級(jí)電容的試驗(yàn)，這是一種固體器件，為峰值負(fù)荷提供短暫的補(bǔ)充功率。

　　東芝公司是烯料電池最大的投資商。它已展示了一個(gè)“更換艙”設(shè)計(jì)的樣機(jī)，“更換艙”作為一個(gè)外部構(gòu)件附加在電腦上。當(dāng)然，在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正式出臺(tái)前還不會(huì)有實(shí)用的產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)燃料混合物和燃料罐設(shè)計(jì)需得到公眾的廣泛接納，其安全性和使用方法的法規(guī)還需有關(guān)部門(mén)的批準(zhǔn)。特別是在飛機(jī)上，想要通過(guò)一個(gè)法規(guī)，允許在民用飛機(jī)上攜帶可燃性甲醇罐，并不是一件容易的事。

　　有關(guān)專(zhuān)家指出，在過(guò)去一段時(shí)間里，烯料電池生產(chǎn)者已邁出了可喜的一大步，電池體積縮小了50%，測(cè)試單元的能量密度超過(guò)了鋰離子電池。預(yù)計(jì)今明兩年會(huì)有少量的早期燃料電池供應(yīng)，到2007年慢慢地增加到幾千個(gè)產(chǎn)品，而2010年將是燃料電池蓬勃發(fā)展的一年。

（東華）

表1、便攜式電池備選方案