關(guān)鍵字：拆解鋰電池 物料清單 制造成本 科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K
現(xiàn)在的智能手表就像某些筆記本電腦，電池續(xù)航力甚至不到一天，這讓我想到電池的問題，以及智能手表、手機(jī)與平板電腦之間的電池是否有共通性？這也激發(fā)了我們TechInsights的好奇心：是否能以單一變量來估算電池的制造成本(即物料清單成本BoM)？
一個(gè)簡(jiǎn)單的代理變量可能包含電池的質(zhì)量或是其充電容量，而兩者都很容易測(cè)量。
下圖一是智能手機(jī)常見的袋裝型(pouch-type)鋰離子電池，是從拆開的 iPhone 6 Plus手機(jī)所拍攝；與電池連接、內(nèi)含控制電路的軟帶已經(jīng)被移除，不過在圖二可以看到。我們注意到，這顆電池使用了兩顆Ricoh的電池保護(hù)IC，以及TI的鋰離子電池電量計(jì)。
圖一 iPhone 6 Plus的鋰離子電池
圖二 iPhone 6 Plus的鋰離子電池控制電路
我們的第一個(gè)問題是：這款電池特別嗎？
為了尋找答案，我們檢驗(yàn)了過去這一年在TechInsights實(shí)驗(yàn)室拆解過的數(shù)款智能手機(jī)、平板電腦電池能量密度(Wh/g)；而下圖三顯示，許多手機(jī)/智能手機(jī)電池的重量不到25公克，而平板設(shè)備電池則多于70公克。
圖三 鋰電池容量（來源：TechInsights）
圖中的斜直線代表220 Wh/kg，與大多數(shù)電池的能量密度相符，從那些分散卻接近的小點(diǎn)可以看出，那些電池是采用非常類似的電池芯技術(shù)。而iPhone 6 Plus的電池重量為43公克，其能量密度表現(xiàn)并沒有非常顯眼，但既然是Apple的電池就值得觀察。
通過拆解探尋電池的物料清單成本
我們的下一個(gè)關(guān)注焦點(diǎn)，是電池的物料清單成本；為了這個(gè)我們得多知道一些電池的結(jié)構(gòu)。下面的圖四就是我們開始拆解iPhone 6 Plus的鋰電池，將電池外面的鋁箔剝開，露出內(nèi)部封住電池芯的聚合物薄膜；進(jìn)一步將該聚合物薄膜剝離之后，就露出了在外面的鋁制陰極集電層(aluminum cathode collector)，如圖五。
圖四 將iPhone 6 Plus電池外殼切開
圖五 鋁制陰極集電層
顯微鏡下的iPhone 6 Plus鋰電池的剖面圖
下圖六是iPhone 6 Plus鋰電池的剖面圖，顯示其層狀結(jié)構(gòu)。該電池內(nèi)含11個(gè)陰極(cathode)，以及10個(gè)鋁制陽(yáng)極(anode)，集電層是并聯(lián)的。陽(yáng)極與陰極的電極，都各自以活性層涂布，然后一個(gè)個(gè)往上堆棧；分隔層(separator layer)插入在陽(yáng)極與陰極之間，以避免短路，同時(shí)又能讓陽(yáng)極與陰極之間的鋰離子相互傳遞。
圖七顯示的則是電池的側(cè)邊，陰極集電層被焊在一起，形成電池的陽(yáng)極端點(diǎn)(anode battery terminal)；陽(yáng)極集電層則以類似的形式被帶出封裝外部。
圖六 iPhone 6 Plus 鋰電池的剖面圖
圖七 iPhone 6 Plus 鋰電池的陰極端點(diǎn)
根據(jù)TechInsights 的拆解分析，我們知道iPhone 6 Plus的電池是采用氧化鋰鈷(lithium cobalt oxide，LiCoO2)作為陰極，陽(yáng)極則是采用石墨(graphite)，如圖八所示。
圖八 顯微鏡下的iPhone 6 Plus電池?cái)嗝?/p>
顯微鏡下的電動(dòng)車電池陰極材料影像構(gòu)造
LiCoO2是一種成熟的電池技術(shù)，常見于移動(dòng)設(shè)備電池，包括手機(jī)、平板設(shè)備與筆記本電腦，而這也解釋了前面圖三所顯示的、各種設(shè)備非常類似的能量密度原因。下表則顯示了一些其他陰極材料，最下面的三種是電動(dòng)車電池的陰極材料，使用氧化鋰錳(lithium manganese oxide ，LMO)以及氧化鋰鎳錳(lithium nickel manganese oxide，NMC)。
常見的鋰離子電池陰極材料與應(yīng)用
石墨陽(yáng)極與氧化鈷陰極擁有晶格狀結(jié)構(gòu)，鋰離子在其中能可逆轉(zhuǎn)地插入(夾入)原子層之間的空隙；圖九是電池陰極氧化鈷層的顯微鏡影像，陽(yáng)極的石墨層結(jié)構(gòu)則顯示于圖十。
圖九 顯微鏡下的氧化鈷陰極層
圖十 顯微鏡下的陽(yáng)極石墨層
要估算出手機(jī)鋰電池的物料清單成本并不是件那么容易的事情，先前有一些與電動(dòng)車電池成本相關(guān)的研究，但是關(guān)于更小型的電池成本估算則付之闕如，有一篇2015年才出爐的報(bào)告指出一顆完整(電動(dòng)車)鋰電池的成本基準(zhǔn)約為每瓦小時(shí)(Wh) 0.5美元。
能通過BOM清單估算電池制造成本嗎？
我們經(jīng)常拆解分析智能手表、智能手機(jī)或是平板、筆記本電腦等設(shè)備，并以加總零部件的方式來推算物料清單成本，那些報(bào)告通常包括電子組件與人力成本、利潤(rùn)；因此我們藉由減去那些利潤(rùn)，來估算電池制造的成本。
如圖十一所顯示，紅色的點(diǎn)狀顯示電池的物料列表成本約為每瓦小時(shí)0.37美元，而且也有一些分散的狀況，這是因?yàn)殡姵赝ǔ０煌拇钆潆娮咏M件；每瓦小時(shí)0.37美元比前面的電動(dòng)車鋰電池成本略低，但因?yàn)槭謾C(jī)電池與車用電池采用的技術(shù)畢竟不太一樣，這并不令人驚訝，而且手機(jī)電池相對(duì)是比車用電池更成熟的技術(shù)。
圖十一 移動(dòng)設(shè)備鋰電池成本估算
上圖中藍(lán)色的部分則是我們從Amazon調(diào)查的手機(jī)鋰電池零售價(jià)，這部分我們是選擇了價(jià)格最低產(chǎn)品，因?yàn)榭紤]這些產(chǎn)品應(yīng)該是制造商與零售商利潤(rùn)最??；鋰電池零售價(jià)約是我們估計(jì)的物料清單成本兩倍，這個(gè)結(jié)果似乎很合理。
所以回到我們最前面的問題，物料清單成本能使用最簡(jiǎn)單的代理變量(proxy)嗎？我們認(rèn)為答案應(yīng)該是肯定的，從圖十一所顯示的鋰電池成本集中狀態(tài)，這應(yīng)該是合理的；電池的成本也包含材料與人工，我們認(rèn)為這部分也會(huì)隨著電池的容量大小而遞增。
移動(dòng)設(shè)備訪問
