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愛鋒貝
標(biāo)題:
一文看懂手機(jī)電池技術(shù)
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作者:
慧慧蘋果醬
時間:
2023-4-7 10:38
標(biāo)題:
一文看懂手機(jī)電池技術(shù)
電池預(yù)備知識
初中知識
名詞
電荷量Q。單位庫倫C。
電阻R。電阻通過導(dǎo)體會做功產(chǎn)生熱量。
電流I，單位安培A，毫安mA； 1A = 1000mA。電流I = 電壓U / 電阻R
電壓U，單位伏特V，毫伏mV；1V = 1000mV。電壓U=電流I * 電阻R
功率P，單位瓦特W，mW；1W = 1000mW。功率P= 電壓U * 電流I
能量E，單位焦耳J。
能量E = 電壓U * 電流I * 時間t
= 功率W * 時間t
= 電流I^2 * 電阻R * 時間t
= 電壓U^2 / 電阻R * 時間t。
串聯(lián)和并聯(lián)
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1、串聯(lián)口訣：首尾相連，串成一串。頭尾相連，逐個順次連接。
電流：串聯(lián)電路中各處電流都相等。
電壓：串聯(lián)電路中總電壓等于各部分電路電壓之和。
電阻：串聯(lián)電路中總電阻等于各部分電路電阻之和。
分壓定律：串聯(lián)電路中各部分電路兩端電壓與其電阻成正比。
串聯(lián)電流不變電壓變，手機(jī)電池雙電芯串聯(lián)，降壓充電。
2、并聯(lián)口訣：頭連頭，尾連尾。頭頭相連，并列連接在兩點之間。
電流：并聯(lián)電路中總電流等于各支路中電流之和。
電壓：并聯(lián)電路中各支路兩端的電壓都相等。
電阻：并聯(lián)電路總電阻的倒數(shù)等于各支路電阻倒數(shù)之和。
分流定律：并聯(lián)電路中，流過各支路的電流與其電阻成反比。
并聯(lián)電壓不變電流變，手機(jī)電荷泵并聯(lián)維持大電流。
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mAh 解釋
電流定義：通過導(dǎo)體橫截面的 電荷量 Q 跟通過這些電荷量所用的時間 t 的比值稱為電流強(qiáng)度，簡稱電流，用I表示 。即 I = Q / t 。例如，如果在1s內(nèi)通過導(dǎo)體 橫截面 的電荷量是1C，導(dǎo)體中的電流就是1A。
電流I = 電荷量Q / 時間t。那么 Q = It。如果電流單位為mA，時間單位為小時h，那么Q 的單位就是mAh。表示電池內(nèi)的電荷量，常叫做電量。
一塊電池能用多久？
做功E = UIt = UI * t = P * t。功率P單位W， 時間t單位取小時h，就可以用Wh來表示做功多少。
E = UIt = U * It = U * Q。 那么 P * t = E = U * Q。看單位：Wh = 電壓V * 電池容量mAh 。
vivo的 iQOO 11的2440mAh + 2500mAh的雙電芯5000mAh電池：2500mAh/19.45Wh。電壓U = 19.45Wh/2500mAh/1000 = 7.78V。
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FlashCharge 200W充電頭參數(shù)：
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型號：V200100L0B0-CN；
輸入：200-240V~50/60Hz 2.5A；
輸出：5V2A，9V2A，11V6A，
20V10A
；
輸入：100-240V~ 50/60Hz 2.5A；
輸出：5V2A，9V2A，11V6A，
20V6A
，5-20V3.25A；
普通充電曲線
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Pre-charge預(yù)充電，CC恒流充電，CV恒壓充電。 充電速度上，低壓階段進(jìn)行低電流預(yù)充；恒流階段充電速度最快；恒壓階段電流逐漸減小，充電速度越來越慢。
快充
電池能量E = 電壓U * 電流I * 時間t。電池能量出廠就標(biāo)記好了，多大容量mAh。要減少充電時間t，要么提高電壓，要么提高電流，要么同時提高電壓和電流。
3種方案：高壓低電流，和低壓高電流，高壓高電流?！案摺笔莻€相對的。iQOO的200W充電，采用的是20V * 10A 高壓高電流設(shè)計。一加的100W充電，采用的是11V * 9.1A。
手機(jī)電池技術(shù)發(fā)展，電池材料的技術(shù)革新很難，目前能做的就是改良：一個是電池容量的提升、一個是充電速度的提高?？紤]中手機(jī)有限的空間中，不怎么增大電池體積的情況下，電池容量提升的技術(shù)難度很大。比較難的出現(xiàn)一年一提升。從快充的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)充電速度的提升，相對容易很多。從OPPO的“充電5分鐘，通話兩小時”的廣告開始，國內(nèi)手機(jī)廠商開始加入技術(shù)競賽。大家要在充電速度(功率、轉(zhuǎn)化率(realme GT neo 5：98.5%))、溫度、安全、體積(電池容量、充電器)4個維度進(jìn)行平衡。
例如高通的QC（Quick Charge）、華為的SCP（Super Charge Protocol）、OPPO的VOOC（Voltage Open Loop Multi-step Constant-Current Charging），后面統(tǒng)一的PD（Power Delivery）100W，最新的240W等。這些快充協(xié)議采用不同的電壓和電流組合方式，根據(jù)不同的協(xié)議，手機(jī)會采用不同的充電方式。從以前的2013年的高通QC1.0 5V2A的10W，到2023年打到協(xié)議峰值的240W。后續(xù)充電協(xié)議應(yīng)該還會進(jìn)一步更新，提高功率標(biāo)準(zhǔn)。
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補(bǔ)充一句：一加的Dash Charge、Warp Charge，Realme的Dart Charge，都是VOOC的內(nèi)核。網(wǎng)上很多文章、測評還在哪來分別對比，其實沒必要。
要實現(xiàn)快充，硬件層面涉及到：充電器->充電線->電荷泵（充電IC芯片）-> 電池。
電池技術(shù)除了目前主流的鋰離子方案替換困難外，又涉及到正負(fù)極、電解液、隔膜。軟件層面還涉及到各種充電協(xié)議。
在控制體積的情況下，還要解決發(fā)熱、短路、爆炸等安全風(fēng)險。
充電器
快充充電器通過把家用的交流電高電壓降壓，轉(zhuǎn)換為直流的低壓電，通過控制電壓和電流實現(xiàn)快速充電。
快充充電器還要實現(xiàn)多種保護(hù)功能，例如過溫保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)等。
元件上，GaN氮化鎵的帶隙更寬且導(dǎo)熱好，能夠匹配體積更小的變壓器和大功率電感，在發(fā)熱量、效率轉(zhuǎn)換上相比硅材料的普通充電器也有更大的優(yōu)勢。所以氮化鎵充電器有體積小、效率高、更安全等優(yōu)勢。
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2020年小米10Pro 發(fā)布的GaN充電器
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2023年的realme 240W充電器配上了“雙GaN”設(shè)計，尺寸為57.82mm * 57.94mm * 30.39mm，體積約為101.81cm3，以充電器的功率240W計算，功率密度約為2.36W/cm3，行業(yè)最高功率密度。體積比之前的 150W 充電頭僅增加了 5%，充電功率提高60%。同時配有過離散式熱源電路設(shè)計、全密封氣凝膠隔熱膜以及全新的均衡殼溫?zé)崃繑U(kuò)散算法調(diào)教，能夠有效防止充電頭出現(xiàn)過熱的情況。
充電器IC芯片參考：
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充電線
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realme 240W 充電線，采用定制的4 x 21AWG粗細(xì)銅線(21AWG對應(yīng)直徑0.723mm，面積 0.410
mm2
，銅阻抗42
Ω/km
))。
說明：美國線規(guī)（英語：American wire gauge），縮寫為AWG，是一種區(qū)分導(dǎo)線直徑的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字代表相同面積下，能塞進(jìn)的AWG線數(shù)目。線規(guī)數(shù)字越小，表示線材直徑越粗，阻抗越小，所能承載的電流就越大；反之，線規(guī)數(shù)字越大，表示線材直徑越細(xì)，阻抗越大，所能承載的電流就越小。
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iQOO 200W充電線
多根銅芯線材可以提供更好的柔韌性和耐用性，可以更好地承受彎曲和拉力，使用壽命更長。
增加銅芯可以增加電線的截面積，從而減小電流通過時的阻力。
電線在通電時，會出現(xiàn)一種“趨膚效應(yīng)”現(xiàn)象，電流集中在電線的表面。相同橫截面積，多芯線載流更大。
realme的240W充電線可以承載12A電流。
充電線還承擔(dān)了對充電頭和手機(jī)電池直接的協(xié)調(diào)作用，增加識別線纜，防止不合格第三方數(shù)據(jù)線威脅用戶使用安全。
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電荷泵
電荷泵（charge pump）是一種直流-直流轉(zhuǎn)換器，利用電容器為儲能元件，在快充領(lǐng)域?qū)Τ潆娖鬏敵龅母邏哼M(jìn)行降壓并電流增倍。
快充技術(shù)發(fā)展：從低壓快充不需要電荷泵，到采用1個電荷泵再到2課，再到現(xiàn)在的3顆。
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單電荷泵但電池示意圖
示意圖為120W的雙電荷泵雙電芯快充方案。
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OPPO 125W 3課電荷泵 超級閃充簡化示意圖
iQOO 10系列的200W快充和Realme 的240W快充方案，都采用3顆電荷蹦充電芯片并聯(lián)分流設(shè)計，降低阻抗，分散熱源，每顆充電芯片的功率上限達(dá)到100W。
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可以看到，相比于傳統(tǒng)的開關(guān)電源方式，電荷泵技術(shù)能夠利用電容儲能，快速通斷，實現(xiàn)輸出電壓減半，并且大幅度提高了充電轉(zhuǎn)化效率，可達(dá)到98.5%（還可以提高到99%以上）。同時，三顆電荷泵特殊的并聯(lián)分流設(shè)計，也將充電的核心發(fā)熱源分散在手機(jī)的不同位置，減少了充電熱量積累的情況。
電池
電池原理
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鋰電池是由鋰金屬或鋰合金為正級或負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池的充電放電過程主要依靠鋰離子（Li+）在正極和負(fù)極之間移動，充電時，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。
這就涉及到正極、負(fù)極、電解液、隔膜等。
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來看下各個廠家在電池方面做的改進(jìn)：
多極耳技術(shù)
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2021年3月，小米11 Pro系列通過采用20級耳的多極耳方案，相對的減少電池厚度，降低電池內(nèi)阻，降低產(chǎn)熱，提高充電速度：
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2021年的榮耀P50 Pro 采用單電芯雙回路多極耳技術(shù)中的雙回路也類似雙電芯方案提高充電速度：
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2022年7月，iQOO 10系列發(fā)布提到的方案：
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正極添加鑭、銥，使得正極的材料晶格更穩(wěn)定。
電極壓薄到55微米，讓鋰離子走更短的路，更快的到達(dá)目的地：
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通過新的萃取技術(shù)和雙向拉升工藝， 使得隔膜孔徑更大，納米級的微孔數(shù)量增加27%。大孔徑、多孔隙，提高鋰離子通過的空間道路：
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電解液里 大幅度增加小分子羧酸酯的比例，提高電導(dǎo)率，提高鋰離子通過速度：
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傳統(tǒng)石墨負(fù)極材質(zhì)鋰電池能量密度理論上限為372mAh/g，目前技術(shù)已迫近理論值難以再往上突破。硅氧理論比容量1800mAh/g，純硅材料的理論克容量4200mAh/g，約為石墨的10+倍：
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2021年3月，小米11系列發(fā)布硅氧負(fù)極電池：
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硅氧化物-碳負(fù)極電池，雖然工藝成熟些，但存在2個問題：
1. 本身比容量比硅要低，摻雜比例不高，實際帶來的能量密度提升有限。
2. 存在首充效率低的問題。
2023年3月，榮耀magic5 pro 首發(fā)青海湖電池，通過硅碳負(fù)極電池技術(shù)，使得電池能量密度相比普通石墨提高12.8%。
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同時還帶來低壓電荷聚能技術(shù)：
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單電芯和雙電芯
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單電芯的小米13Pro電池額定電壓3.89V，充電電壓限制4.48V。
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vivo的某款雙電芯電池額定電壓7.78V，7.78V/2 = 3.89V；充電電壓8.96V，8.96V/2 = 4.48V?？梢园l(fā)現(xiàn)雙電芯采用串聯(lián)組成。
單電芯和雙電芯方案，都擁有各自的優(yōu)勢與不足：
單電芯方案由于只有一個電芯，不存在一致性問題；充放電閾值設(shè)定相對穩(wěn)定； 電池倉的空間利用率更高，相同體積下，單電芯方案電池容量約比雙電芯方案高5~8%。
單電芯充電電壓4.48V，按充電器100W充電功率直沖算，電池要求承載電流達(dá)到22.3A，充電器輸出電壓和電池端電壓的壓差較大，鏈路的負(fù)荷較重，發(fā)熱較大。 需要多級分壓降壓處理，并且提高功率的難度也會更大。
雙電芯方案采用串聯(lián)雙電芯方式，充電電壓8.96V，按充電器100W充電功率直沖算，電池要求承載電流達(dá)到11.16A，鏈路電流負(fù)擔(dān)相對較低，加之多級分壓降壓處理，能更好的控制發(fā)熱。realme已經(jīng)量產(chǎn)了充電功率240W的標(biāo)準(zhǔn)上限的產(chǎn)品。
兩塊電池之間存在孔隙和填充物料以及板材等，導(dǎo)致相同體積下，雙電芯電池容量更低。
放電時，需要將電池組通過分壓芯片將電壓減半，再給手機(jī)系統(tǒng)供電。兩款電芯存在一致性要求，充放電時的健康檢測更嚴(yán)格。
能量密度
能量密度是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所放出的能量。
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電池能量密度越大存儲電量越多。但電池能量密度和快充功率是反比，也就是說電池能量密度越高，快充功率就越小。
比如 Realme GT neo 5 的手機(jī)，240W版 采用 4600mAh的雙電芯電池；150W版 采用5000mAh的雙電芯電池 。因為電池充電速度快電池能力密度低，電池容量就相應(yīng)變小的緣故。旗艦機(jī)充電功率也不會太大的一個原因是旗艦機(jī)為了體驗最優(yōu)，性能一般拉滿，各類器件功耗相應(yīng)增大，耗電更快，更大的電池才能續(xù)航不至于太差，所以就采取了要大電池而不是大功率的策略。
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充電工作溫度范圍
低溫時，電解液粘度會變大，離子傳導(dǎo)速度變慢，造成外電路電子遷移速度不匹配，因此電池出現(xiàn)嚴(yán)重極化，充放電容量出現(xiàn)急劇降低。 尤其當(dāng)?shù)蜏爻潆姇r，鋰離子很容易在負(fù)極表面形成鋰枝晶，導(dǎo)致電池失效。所以手機(jī)在溫度過低時會采用關(guān)機(jī)等方式保護(hù)電池。
2020年2月發(fā)布的小米10Pro 電池支持 -10°超低溫充電。
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2022年7月，vivo在iQOO 10系列發(fā)布會說：手機(jī)整機(jī)會經(jīng)歷-40°C ~ 60°C之間的144h的測試。
2023年2月，OPPO在Realme發(fā)布會說，行業(yè)手機(jī)大多保證在-5℃下充電，而Realme做到-20℃行業(yè)最低充電工作溫度。
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安全與質(zhì)量
鋰離子電池雖然不含有活潑的金屬態(tài)的鋰，但鋰電池在充電時，鋰離子獲得電子后，會在材料表面產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，會造成危險性，一旦電池外殼破裂就會爆炸。
爆炸類型分析電池芯爆炸的類形可歸納為外部短路、內(nèi)部短路、及過充三種。
三星自2016年8月推出Galaxy Note 7手機(jī)一個月，在全球范圍內(nèi)發(fā)生三十多起爆炸和起火事故。
爆炸原因主要包括：
第一版的電池（SDI）是因為設(shè)計原因造成鋰電池負(fù)極板受到擠壓導(dǎo)致正負(fù)極短路起火；
第二版的電池（ATL）由于制造不嚴(yán)謹(jǐn)導(dǎo)致銅箔融化，焊接過程有毛刺穿破了絕緣膜，直接引發(fā)短路起火；
另外還有一部分電池被發(fā)現(xiàn)沒有使用絕緣膠帶。
國內(nèi)廠家主要在充電器、手機(jī)接口、電池三個端口實現(xiàn)實時電壓、電流及溫度的監(jiān)控和各種保護(hù)電路來確保充電的安全。
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iQOO 200W的安全設(shè)計
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Realme的240W安全設(shè)計
由于電池老化等原因，電池容量隨著使用會出現(xiàn)容量下降。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是800次充放電容量要大于80%?，F(xiàn)在電池充電次數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)充電次數(shù)800次電池容量大于90%， 充電次數(shù)1600次電池容量大于80%。
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充電曲線
目前快充功率都是標(biāo)識的最高功率，實際隨著充電時間功率是逐漸下降的：
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說明：綠線是電壓，紫線是電流，黃色是功率。
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說明：電池容量百分比曲線，是逐漸變慢的
單從標(biāo)稱的最大功率是不能完全看出充電速度的：
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該圖顯示，小米30W比某款40W手機(jī)充電還要快（電池容量差異2.8%）。
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該圖顯示：充電27分鐘，一加80W 充電4700mAh；友商100W，充電4000mAh（一個原因是由于電池快充滿時電流降低，但為什么整體曲線都低于一加？）。
廠家標(biāo)稱的充電頭端同樣的最大功率，由于全鏈路的優(yōu)化與散熱的設(shè)計、策略的不同，最終到達(dá)電池內(nèi)部的轉(zhuǎn)化的電荷量和速度還是有比較大差異。
總結(jié)
充電功率雖然達(dá)到了240W的行業(yè)最高標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但電池能量密度還有發(fā)展空間，各類場景下的充電挑戰(zhàn)還是存在的。
各位看官在要對各家產(chǎn)品發(fā)布會上宣稱的數(shù)據(jù)打個問號，各類細(xì)分維度下的第一、天花板等詞也只是看看而已（某米，某我在發(fā)布會上就有類似說法）；友商對比數(shù)據(jù)也要注意是否存在田忌賽馬的情況(某耀)。
手機(jī)行業(yè)技術(shù)內(nèi)卷嚴(yán)重，用戶在買手機(jī)的時候或許等下，友商的技術(shù)就追上來了。
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歡迎加v交流
參考
https://www.bilibili.com/video/BV1i34y1J7YC/ iQOO 10系列新品發(fā)布會全程回顧
https://www.bilibili.com/video/BV1hM41147yC/ 榮耀Magic5系列及全場景新品發(fā)布會『完整回放』
https://www.bilibili.com/video/BV1HM4y1k78B/ 榮耀Magic5 Pro拆解評測：榮耀青海湖技術(shù)究竟是什么？
https://www.zhihu.com/question/317707735/answer/2451724501 「快速充電」的原理是什么，目前的快充技術(shù)存在哪些亮點和缺陷呢？
https://www.juda.cn/news/77228.html 三星手機(jī)鋰電池爆炸原因分析
https://www.zhihu.com/question/50528184/answer/176086701 手機(jī)快充是跟數(shù)據(jù)線有關(guān)還是跟充電器有關(guān)？
https://en.wikipedia.org/wiki/Quick_Charge
https://www.pingwest.com/a/277090 真我GT Neo5評測：240W高功率，手機(jī)快充“天花板”
https://www.chongdiantou.com/archives/206154.html 240W滿級秒充，安卓閃充終章，realme 真我 GT Neo5充電評測
https://www.cnblogs.com/lifan3a/articles/16498232.html 電荷泵原理及應(yīng)用
https://post.smzdm.com/p/a60qn7n0/ 2022年，大家終于重視起了手機(jī)電池能量密度。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/597267004
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BE%8E%E5%9B%BD%E7%BA%BF%E8%A7%84
https://edadocs.software.keysight.com/kkbopen/awg-awg-620138994.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/242899641
https://www.bilibili.com/video/BV11d4y1e71q/ 【享拆】小米 13 系列拆解：雙機(jī)齊拆，驚喜加倍!
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