筆記本電腦的能源危機

　　筆記本電腦用戶外出商務旅行時，總不忘將電腦中的充電電池充足電，然后拆除CD-ROM驅動器，在此安裝上第二塊電池，最后在公文包內再帶上第三塊電池。很多用戶需要在漫長的飛行時連續(xù)地工作,不僅如此，他們還希望使用高能耗的功能，比如無線網(wǎng)絡。更快、更強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，電池卻沒有這么幸運。電腦的未來還得依靠已有百年之久的，進展緩慢的電化學技術。這不是說電腦電池的性能沒有提高，要是將今天的電池放在5年前生產(chǎn)的電腦中，8小時電池壽命還是綽綽有余的。問題在于，筆記本電腦需要更大的功率。

　　電池壽命已成為選購筆記本電腦最重要的3個指標之一。生產(chǎn)廠商追求更高的性能，更快的無線連接，系統(tǒng)要更輕薄，這進一步壓縮了電池的空間。英特爾的迅馳移動芯片確實減少了功耗，將工作時間從2~3小時提高到5個小時，但這仍不能滿足用戶8小時工作的愿望。8小時工作至少需要100wh（瓦時）功率，而目前最好的電池技術（鋰離子電池）的輸出功率不足60wh（參見圖1）。

　　最近，供應商們逐步認識到問題的結征所在。這些年來，電池技術的研發(fā)資金相對地說是不夠的。不僅僅如此，政府部門和私人企業(yè)將業(yè)量的研發(fā)資金投入到燃料電池中，而注入電池的基礎性設計工作資金卻極其匱乏。由于燃料電池的應用在7、8年后才有望實用化。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世紀九十年代初問世以來,生產(chǎn)廠商已對它的性能進行了重大改進。在過去的5年里,鋰離子電池在移動電腦設備中已取代了NiCd和NiMH技術。鋰離子電池具有較高的單位體積能量密度;不存在NiCd電池會縮短壽命的記憶效應;而且從環(huán)境方面考慮,鎘是一種有害金屬,會污染環(huán)境,鋰離子電池比NiCd電池要安全得多。

　　鎳基化學電池已達到它的容量極限 ,鋰離子電池卻總有小的收獲。近幾年來,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到它的理論極限,但業(yè)界一致認為，可預期的結果還不足以彌補功率的缺口。這一結論激發(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,使用類凝膠電解液。盡管未實現(xiàn)早期的承諾,該項技術成本比鋰離子電池高,能量密度亦有突破性的進展。但它確有一個突出的優(yōu)點,聚合物基電池可以加工成適合小型設備安裝的扁平外形,而鋰離子電池公司限示圓柱形設計。日本       Pionie公司已展示了一個電池樣品,其能量密度可達600wh/l.目前,多數(shù)鋰離子電池在200wh~250wh/1之間。除了聚合物,也有其它供應商正在開展基于鋰硫和鋰磷一類材料的設計。

　　即便是傳統(tǒng)的堿性電池也想重返歷史舞臺。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600wh/1。預期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

　　長期以來，絕大多數(shù)供應商將希望寄托在燃料電池上。政府部門和私人企業(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的設計。燃料電池以氫氧化合或甲醇氧化合來形成化學反應。最流行的設計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窮的功率。小至1CC的燃料能產(chǎn)生1Wh的電。足夠手機工作2個小時。但是，該項技術也面臨諸多挑戰(zhàn)。首先是燃料電池十分復雜，需要一個引擎成反應堆；微型泵，傳感器和相關電子電路；通風裝置；以及燃料罐（見圖口）。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%的能量轉化無用的熱量，僅10%轉化為電池功率，給筆記本電腦設計師出了一個難題，他們必須面對熱的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)應設通風裝置來排出少量的二氧化碳和水蒸汽。
　　
　　燃料電池的反應速度較慢，無法快速響應突然增加的功率要求。因此，早期設計，如Intermec  Technologies 公司的IP3  RFIC讀出器樣機，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，還要向電池連續(xù)充電。55CC烯料罐可連續(xù)工作30個小時，而傳統(tǒng)電池僅為10個小時。也有供應商正在進行超級電容的試驗，這是一種固體器件，為峰值負荷提供短暫的補充功率。

　　東芝公司是烯料電池最大的投資商。它已展示了一個“更換艙”設計的樣機，“更換艙”作為一個外部構件附加在電腦上。當然，在有關標準正式出臺前還不會有實用的產(chǎn)品。標準燃料混合物和燃料罐設計需得到公眾的廣泛接納，其安全性和使用方法的法規(guī)還需有關部門的批準。特別是在飛機上，想要通過一個法規(guī)，允許在民用飛機上攜帶可燃性甲醇罐，并不是一件容易的事。

　　有關專家指出，在過去一段時間里，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%，測試單元的能量密度超過了鋰離子電池。預計今明兩年會有少量的早期燃料電池供應，到2007年慢慢地增加到幾千個產(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