新能源車的續(xù)航大戰(zhàn)，打到了手機(jī)圈

今年年初小米發(fā)布14 Ultra，介紹了一個(gè)多小時(shí)影像功能后，另一位主角“金沙江電池”姍姍來遲。

小米14 Ultra“超大杯”的相機(jī)模組比上一代整整大了20%，但整機(jī)重量輕了3g，并且續(xù)航提升了17%，幕后功臣就是“金沙江電池”[1]。

從vivo的“藍(lán)海電池”、一加的“冰川電池”，到榮耀的“青海湖電池”、小米的“金沙江電池”，幾大國產(chǎn)手機(jī)品牌，突然就和水杠上了。

這些名山大川背后，其實(shí)是從隔壁新能源車舶來的底層技術(shù)——硅碳電池。

手機(jī)廠商對(duì)著中國地形圖取名字之前，特斯拉自產(chǎn)的2170/4680電池、寧德時(shí)代的麒麟電池都應(yīng)用了硅碳電池方案。

在“洞庭湖電池”、“千島湖電池”出現(xiàn)前，也許有必要搞清楚，硅碳電池到底是個(gè)什么技術(shù)，能讓新能源車和消費(fèi)電子兩大產(chǎn)業(yè)，都對(duì)其趨之若鶩。

“越獄”的電子

在了解硅碳電池之前，首先要理解電池續(xù)航的原理。

無論手機(jī)還是汽車，電池充電的本質(zhì)是電子的“越獄”：原子核帶正電，電子帶負(fù)電，雙方數(shù)量相當(dāng)，原子正負(fù)電量平衡。但在一定條件下（例如施加電壓、電解），電子會(huì)脫離原子，產(chǎn)生電流。

電池的工作，可以簡單理解為創(chuàng)造條件讓電子脫離原子，流入設(shè)計(jì)好的電路中形成電流，為電子設(shè)備輸送電力。決定一塊電池續(xù)航多寡的，是兩大部件——正極和負(fù)極。

正極是“關(guān)押”電子的“牢房”，一般是金屬化合物。鋰元素由于常年玩忽職守，讓電子更容易逃脫，成為了大部分電池的選擇，也就是我們常說的“鋰電池”。

負(fù)極是電子的“安全屋”：電子越獄后沿著電路前往負(fù)極，在這個(gè)過程中，會(huì)產(chǎn)生電流給電子設(shè)備供電；此時(shí)，發(fā)現(xiàn)電子越獄的鋰離子會(huì)火速通過電解液殺向負(fù)極，將電子擒拿歸案，保持正負(fù)平衡。

電池的充電和放電，就是電子不斷越獄，鋰離子不斷抓電子的無限循環(huán)。

電池續(xù)航的核心，一是扮演牢房的正極能夠提供多少編制，容納負(fù)責(zé)擒拿電子的鋰；二是扮演安全屋的負(fù)極能夠提供多少床位，收容在逃的電子。

過去幾年，電池廠的技術(shù)投資多在正級(jí)材料上。可以理解為，在確定鋰元素的主體地位后，選什么材料當(dāng)輔警，配合鋰離子抓電子。

“三元鋰電池”就是正極采用三種鋰元素化合物的電池。例如NCM811，就是鎳（N）酸鋰、鈷（C）酸鋰、錳（M）酸鋰混合，811代表三個(gè)元素的摩爾配比。NCM522是另一種配比。

“磷酸鐵鋰電池”即正極材料為磷酸鐵鋰，雖然抓捕電子的能力不如三元鋰電池，但勝在不需要稀有金屬，便宜大碗。

過去十年，電池廠圍繞正極，從“三元鋰VS磷酸鐵鋰”打到“有鈷VS無鈷”、“低鎳VS高鎳”，能量密度不斷提高，電動(dòng)車的續(xù)航里程也從300km加碼到700km以上。

但經(jīng)過多年投資，正極材料的進(jìn)步逐漸觸碰了瓶頸，無法釋放更多在編崗位。于是，電池廠紛紛把目光投向負(fù)極，研究安全屋的改造施工方案。

一直以來，碳元素是負(fù)極材料的主流選擇，常用的石墨就是碳的旁支兄弟（同素異形體），另一個(gè)旁支兄弟我們更熟悉，就是鉆石。

鉆石（左）和石墨（右）差別在于碳原子的排布方式不同

面對(duì)續(xù)航提升的壓力，工程師們翻開元素周期表，發(fā)現(xiàn)硅元素恰好位于碳的正下方，屬于“同族兄弟”，意味著兩者化學(xué)性質(zhì)相似，都很適合做鋰電子的“收容所”。

元素周期表上碳和硅同族

因此，所謂“硅碳電池”，就是負(fù)極材料使用硅和碳兩種元素的電池，但往碳里面摻多少硅，就是一門在成本與技術(shù)的鐐銬里反復(fù)橫跳的藝術(shù)了。

給負(fù)極加點(diǎn)料

2020年8月，特斯拉在官網(wǎng)官宣電池日時(shí)間，不甚清晰的背景圖卻吸引了更多注意。

媒體很快扒出，圖中的那些“細(xì)線”本體是硅納米線，是一種新型負(fù)極技術(shù)，本質(zhì)是以硅取代碳作為負(fù)極材料，幾年來在業(yè)內(nèi)積累了不少聲量。

馬斯克很早就意識(shí)到，以碳為主要材料的負(fù)極，會(huì)成為阻礙能量密度升級(jí)的一道天塹。因此，特斯拉早早就打起了負(fù)極的主意。

2015年推出Model S時(shí)，特斯拉就給其中一款配備了“狂暴模式”，聲稱加速到100公里時(shí)速只需要2.8秒。而這款動(dòng)力更強(qiáng)的車型，續(xù)航里程反而比其他車型提高了6%。馬斯克在推特上暗戳戳炫耀，自己給電池負(fù)極加了點(diǎn)“佐料”——這個(gè)“佐料”就是硅。

相比碳元素，硅元素的優(yōu)勢在于空間更大，方便鋰離子把電子一網(wǎng)打盡：

6個(gè)碳原子能容納1個(gè)鋰離子，而1個(gè)硅原子就能容納4個(gè)鋰離子。理論上，硅材料“收容”鋰離子的能力，是碳材料的10倍以上[3]，是替代石墨材料的不二之選。

單純從材料看，直接用硅代替碳作為電池負(fù)極，就能帶來續(xù)航的爆炸式提升。

但硅有一個(gè)致命弱點(diǎn)——充放電過程中體積膨脹非常嚴(yán)重，鋰離子進(jìn)入時(shí)膨脹，膨脹率最高達(dá)300%（碳的膨脹率只有16%）[4]，鋰離子離開后又收縮，一膨一縮之間，材料就會(huì)破碎和粉化。在實(shí)際使用中，會(huì)導(dǎo)致電池衰減速度極快，充電循環(huán)次數(shù)極低。

經(jīng)過多次充放電循環(huán)后的硅負(fù)極

按照國際標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)力電池必須要能夠循環(huán)1000次以上，這就把純硅負(fù)極的路暫時(shí)封死了。

特斯拉的解決辦法是博采眾長，在石墨負(fù)極中摻入少量硅，既能提高續(xù)航，又能保證循環(huán)次數(shù)。Model S采用的松下2170電池負(fù)極，就摻了5%的硅。

材料學(xué)家們則沿著另一條路徑突破——改變硅原子的呈現(xiàn)形態(tài)：

因?yàn)榱Ｗ釉叫。讲蝗菀灼扑椋敲窗压璨牧献龅綆资{米的尺寸（碳材料一般是幾百納米甚至微米），就能完美規(guī)避硅的化學(xué)弱點(diǎn)。這就是特斯拉2020年電池日介紹的極其激進(jìn)的技術(shù)路線——“硅納米線”。

按照特斯拉的思路，可以將硅材料的尺寸做到10nm的程度，外部以二氧化硅包覆，100%的硅材料[3]，不含一滴碳，童叟無欺。

但四年過去，“硅納米線”依然靜靜地躺在馬斯克的大餅軍團(tuán)了。可能是因?yàn)轳R斯克的大餅畫的實(shí)在太多，以至于大家都忘了還有這一張餅。

特斯拉的技術(shù)研發(fā)思路一直是“物理課本上沒說不行啊”。相比砸下幾十億美元挑戰(zhàn)物理學(xué)的法則，大部分電池廠還是會(huì)選擇更加“務(wù)實(shí)”的路線——在碳負(fù)極里摻點(diǎn)硅，這才有了硅碳電池套著五花八門的山川湖海集體出道。

只不過在新能源車的應(yīng)用中，會(huì)碰到一個(gè)成本問題：一方面，現(xiàn)有電池技術(shù)配合快充樁，續(xù)航基本夠用；另一方面，即便要提高續(xù)航，相比硅碳負(fù)極這種提高“單位能量密度”的方法，裝個(gè)更大的電池包可能是更劃算的方案。

但對(duì)寸土寸金的手機(jī)來說，負(fù)極摻硅已經(jīng)迫在眉睫了。

高端手機(jī)不做選擇

2015年，中國智能手機(jī)出貨量首次跌破10%[5]，高速增長期結(jié)束，存量博弈時(shí)代開始。

此后，“堆料”成為了智能手機(jī)迭代的主線，各大手機(jī)品牌在攝像頭、處理器等硬件升級(jí)上不惜血本，高端產(chǎn)品線作為“堆料”的集大成者，硝煙彌漫。但對(duì)手機(jī)體驗(yàn)影響最大的，其實(shí)是電池。

PhoneArena在2015年做的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果顯示，64%的消費(fèi)者最關(guān)心的手機(jī)功能改進(jìn)是續(xù)航能力[6]。

相比新能源車，手機(jī)廠商對(duì)硅碳電池的追捧有一個(gè)重要原因：手機(jī)內(nèi)部的空間實(shí)在太寶貴了。

過去幾年，伴隨三攝、面部識(shí)別等功能的普及，手機(jī)內(nèi)部鏡頭模組和人臉識(shí)別模塊的面積迅速增加，侵蝕了本就不富裕的內(nèi)部空間。iPhone15 Pro的電池容量反而比iPhone 15低，就是因?yàn)槎喑鲆粋€(gè)攝像頭，讓電池不得不為鏡頭模組的擴(kuò)大而妥協(xié)。

手機(jī)無法像電動(dòng)車一樣，塞進(jìn)更大的電池包，因此能夠提高“單位能量密度”的硅碳電池，就進(jìn)入了手機(jī)廠商的視野。

小米11 Pro里的相機(jī)模塊和電池

2019年，小米在概念機(jī)MIX Alpha上首次采用了納米硅電池。由于MIX Alpha的環(huán)繞屏設(shè)計(jì)過于吸引人，導(dǎo)致大家都沒太注意納米硅電池這個(gè)相當(dāng)激進(jìn)的技術(shù)方案。

兩年后的小米11 Ultra，小米用硅氧化合物代替納米硅摻入負(fù)極，把硅碳電池第一次帶入量產(chǎn)機(jī)型。雖然硅氧化合物能量密度提升效果不如納米硅，但勝在循環(huán)次數(shù)多，成本相對(duì)可控。

小米MIX Alpha，并未量產(chǎn)

因?yàn)楣杼钾?fù)極的貢獻(xiàn)，小米11 Ultra進(jìn)入“5000mAh俱樂部”。同時(shí)，電池模組的體積幾乎不變，機(jī)身厚度也保持在8.38mm的舒適區(qū)。

從此之后，硅碳負(fù)極成為了各家高端產(chǎn)品線的標(biāo)配。而折疊屏手機(jī)的出現(xiàn)，又給硅碳電池添了一把火。

屏幕是手機(jī)里最耗電的零部件，大部分“大折疊”手機(jī)，本質(zhì)上把屏幕面積擴(kuò)大了三倍，成為實(shí)打?qū)嵉摹巴屉姭F”。三星Z Fold 3就被吐槽“睡前滿格、起床3%”；另一方面，由于“折疊”的形態(tài)，整機(jī)對(duì)于輕薄的要求更高，對(duì)電池的單位能量密度要求更高。

“極限堆料”的高端手機(jī)，加上“既要又要”的折疊屏，把手機(jī)續(xù)航帶到了6000mAh的新高度。相比之下，容量只有3349mAh的iPhone 15，多少就有些尷尬了。

幾年前接受采訪，蘋果高管Greg Joswiak曾發(fā)表過“iOS+3000mAh > 5000mAh”的迷惑言論。現(xiàn)在去隔壁的特斯拉取取經(jīng)，興許還來得及。

參考資料

[1] 小米14 Ultra重磅發(fā)布｜專業(yè)影像旗艦，讓真實(shí)有層次，雷軍

[2] 特斯拉劇透的硅納米線電池負(fù)極材，有何看點(diǎn)？華寶證券

[3] 產(chǎn)品介紹，Amprius官網(wǎng)

[4] 克服“膨脹”，硅碳負(fù)極電池小身板有大能量，科普時(shí)報(bào)

[5] 2015年中國智能手機(jī)全年報(bào)告，Strategy Analytics

[6] Going into 2016, battery life is still the number one concern with our readers, Phone Arena

編輯：李墨天

視覺設(shè)計(jì)：疏睿

責(zé)任編輯：何律衡

封面圖片來自ShotDeck