以下文章来源于远川科技评论 ,作者何律衡
今年年初小米发布14 Ultra,介绍了一个多小时影像功能后,另一位主角“金沙江电池”姗姗来迟。小米14 Ultra“超大杯”的相机模组比上一代整整大了20%,但整机重量轻了3g,并且续航提升了17%,幕后功臣就是“金沙江电池”[1]。从vivo的“蓝海电池”、一加的“冰川电池”,到荣耀的“青海湖电池”、小米的“金沙江电池”,几大国产手机品牌,突然就和水杠上了。这些名山大川背后,其实是从隔壁新能源车舶来的底层技术——硅碳电池。手机厂商对着中国地形图取名字之前,特斯拉自产的2170/4680电池、宁德时代的麒麟电池都应用了硅碳电池方案。在“洞庭湖电池”、“千岛湖电池”出现前,也许有必要搞清楚,硅碳电池到底是个什么技术,能让新能源车和消费电子两大产业,都对其趋之若鹜。
“越狱”的电子
无论手机还是汽车,电池充电的本质是电子的“越狱”:原子核带正电,电子带负电,双方数量相当,原子正负电量平衡。但在一定条件下(例如施加电压、电解),电子会脱离原子,产生电流。电池的工作,可以简单理解为创造条件让电子脱离原子,流入设计好的电路中形成电流,为电子设备输送电力。决定一块电池续航多寡的,是两大部件——正极和负极。正极是“关押”电子的“牢房”,一般是金属化合物。锂元素由于常年玩忽职守,让电子更容易逃脱,成为了大部分电池的选择,也就是我们常说的“锂电池”。负极是电子的“安全屋”:电子越狱后沿着电路前往负极,在这个过程中,会产生电流给电子设备供电;此时,发现电子越狱的锂离子会火速通过电解液杀向负极,将电子擒拿归案,保持正负平衡。电池的充电和放电,就是电子不断越狱,锂离子不断抓电子的无限循环。电池续航的核心,一是扮演牢房的正极能够提供多少编制,容纳负责擒拿电子的锂;二是扮演安全屋的负极能够提供多少床位,收容在逃的电子。过去几年,电池厂的技术投资多在正级材料上。可以理解为,在确定锂元素的主体地位后,选什么材料当辅警,配合锂离子抓电子。“三元锂电池”就是正极采用三种锂元素化合物的电池。例如NCM811,就是镍(N)酸锂、钴(C)酸锂、锰(M)酸锂混合,811代表三个元素的摩尔配比。NCM522是另一种配比。“磷酸铁锂电池”即正极材料为磷酸铁锂,虽然抓捕电子的能力不如三元锂电池,但胜在不需要稀有金属,便宜大碗。过去十年,电池厂围绕正极,从“三元锂VS磷酸铁锂”打到“有钴VS无钴”、“低镍VS高镍”,能量密度不断提高,电动车的续航里程也从300km加码到700km以上。但经过多年投资,正极材料的进步逐渐触碰了瓶颈,无法释放更多在编岗位。于是,电池厂纷纷把目光投向负极,研究安全屋的改造施工方案。一直以来,碳元素是负极材料的主流选择,常用的石墨就是碳的旁支兄弟(同素异形体),另一个旁支兄弟我们更熟悉,就是钻石。钻石(左)和石墨(右)差别在于碳原子的排布方式不同
面对续航提升的压力,工程师们翻开元素周期表,发现硅元素恰好位于碳的正下方,属于“同族兄弟”,意味着两者化学性质相似,都很适合做锂电子的“收容所”。元素周期表上碳和硅同族
因此,所谓“硅碳电池”,就是负极材料使用硅和碳两种元素的电池,但往碳里面掺多少硅,就是一门在成本与技术的镣铐里反复横跳的艺术了。给负极加点料
2020年8月,特斯拉在官网官宣电池日时间,不甚清晰的背景图却吸引了更多注意。媒体很快扒出,图中的那些“细线”本体是硅纳米线,是一种新型负极技术,本质是以硅取代碳作为负极材料,几年来在业内积累了不少声量。马斯克很早就意识到,以碳为主要材料的负极,会成为阻碍能量密度升级的一道天堑。因此,特斯拉早早就打起了负极的主意。2015年推出Model S时,特斯拉就给其中一款配备了“狂暴模式”,声称加速到100公里时速只需要2.8秒。而这款动力更强的车型,续航里程反而比其他车型提高了6%。马斯克在推特上暗戳戳炫耀,自己给电池负极加了点“佐料”——这个“佐料”就是硅。相比碳元素,硅元素的优势在于空间更大,方便锂离子把电子一网打尽:6个碳原子能容纳1个锂离子,而1个硅原子就能容纳4个锂离子。理论上,硅材料“收容”锂离子的能力,是碳材料的10倍以上[3],是替代石墨材料的不二之选。单纯从材料看,直接用硅代替碳作为电池负极,就能带来续航的爆炸式提升。但硅有一个致命弱点——充放电过程中体积膨胀非常严重,锂离子进入时膨胀,膨胀率最高达300%(碳的膨胀率只有16%)[4],锂离子离开后又收缩,一膨一缩之间,材料就会破碎和粉化。在实际使用中,会导致电池衰减速度极快,充电循环次数极低。经过多次充放电循环后的硅负极
按照国际标准,动力电池必须要能够循环1000次以上,这就把纯硅负极的路暂时封死了。特斯拉的解决办法是博采众长,在石墨负极中掺入少量硅,既能提高续航,又能保证循环次数。Model S采用的松下2170电池负极,就掺了5%的硅。材料学家们则沿着另一条路径突破——改变硅原子的呈现形态:因为粒子越小,越不容易破碎,那么把硅材料做到几十纳米的尺寸(碳材料一般是几百纳米甚至微米),就能完美规避硅的化学弱点。这就是特斯拉2020年电池日介绍的极其激进的技术路线——“硅纳米线”。按照特斯拉的思路,可以将硅材料的尺寸做到10nm的程度,外部以二氧化硅包覆,100%的硅材料[3],不含一滴碳,童叟无欺。但四年过去,“硅纳米线”依然静静地躺在马斯克的大饼军团了。可能是因为马斯克的大饼画的实在太多,以至于大家都忘了还有这一张饼。特斯拉的技术研发思路一直是“物理课本上没说不行啊”。相比砸下几十亿美元挑战物理学的法则,大部分电池厂还是会选择更加“务实”的路线——在碳负极里掺点硅,这才有了硅碳电池套着五花八门的山川湖海集体出道。只不过在新能源车的应用中,会碰到一个成本问题:一方面,现有电池技术配合快充桩,续航基本够用;另一方面,即便要提高续航,相比硅碳负极这种提高“单位能量密度”的方法,装个更大的电池包可能是更划算的方案。高端手机不做选择
2015年,中国智能手机出货量首次跌破10%[5],高速增长期结束,存量博弈时代开始。此后,“堆料”成为了智能手机迭代的主线,各大手机品牌在摄像头、处理器等硬件升级上不惜血本,高端产品线作为“堆料”的集大成者,硝烟弥漫。但对手机体验影响最大的,其实是电池。PhoneArena在2015年做的一项调查结果显示,64%的消费者最关心的手机功能改进是续航能力[6]。相比新能源车,手机厂商对硅碳电池的追捧有一个重要原因:手机内部的空间实在太宝贵了。过去几年,伴随三摄、面部识别等功能的普及,手机内部镜头模组和人脸识别模块的面积迅速增加,侵蚀了本就不富裕的内部空间。iPhone15 Pro的电池容量反而比iPhone 15低,就是因为多出一个摄像头,让电池不得不为镜头模组的扩大而妥协。手机无法像电动车一样,塞进更大的电池包,因此能够提高“单位能量密度”的硅碳电池,就进入了手机厂商的视野。小米11 Pro里的相机模块和电池
2019年,小米在概念机MIX Alpha上首次采用了纳米硅电池。由于MIX Alpha的环绕屏设计过于吸引人,导致大家都没太注意纳米硅电池这个相当激进的技术方案。两年后的小米11 Ultra,小米用硅氧化合物代替纳米硅掺入负极,把硅碳电池第一次带入量产机型。虽然硅氧化合物能量密度提升效果不如纳米硅,但胜在循环次数多,成本相对可控。小米MIX Alpha,并未量产
因为硅碳负极的贡献,小米11 Ultra进入“5000mAh俱乐部”。同时,电池模组的体积几乎不变,机身厚度也保持在8.38mm的舒适区。从此之后,硅碳负极成为了各家高端产品线的标配。而折叠屏手机的出现,又给硅碳电池添了一把火。屏幕是手机里最耗电的零部件,大部分“大折叠”手机,本质上把屏幕面积扩大了三倍,成为实打实的“吞电兽”。三星Z Fold 3就被吐槽“睡前满格、起床3%”;另一方面,由于“折叠”的形态,整机对于轻薄的要求更高,对电池的单位能量密度要求更高。“极限堆料”的高端手机,加上“既要又要”的折叠屏,把手机续航带到了6000mAh的新高度。相比之下,容量只有3349mAh的iPhone 15,多少就有些尴尬了。几年前接受采访,苹果高管Greg Joswiak曾发表过“iOS+3000mAh > 5000mAh”的迷惑言论。现在去隔壁的特斯拉取取经,兴许还来得及。