傳統(tǒng)石墨負極電池瓶頸？硅負極新材質(zhì)面臨電池挑戰(zhàn)

小米11 Pro、小米11 Ultra、小米折疊屏手機等重磅旗艦手機亮相，小米全球首發(fā)了硅氧負極電池，并成功量產(chǎn)搭載在小米11 Pro、小米11 Ultra身上。

高能量密度、高壽命、高性能的硅氧負極電池能否帶動電池行業(yè)邁向新的篇章？

傳統(tǒng)石墨負極電池瓶頸

電池從結(jié)構(gòu)件來劃分主要由三個部件組成：陽極、陰極、與隔膜，通過卷繞堆疊等方式裝配，填充電解液后封入鋼殼或者軟性包裝內(nèi)，就變成人們常見的電池，鋼殼電池一般用于電動汽車上，數(shù)碼產(chǎn)品一般使用軟性包裝。

在充電過程中，外部電壓通過極耳施加到電池內(nèi)部，正極鋰離子釋放電子，在電場作用下穿過隔膜在電解液中遷移至負極，嵌入到負極石墨活性物質(zhì)內(nèi)部，電子被接收，完成充電儲能過程。外部帶載需要放電時，鋰離子釋放電子并從負極脫嵌，穿過隔膜向正極遷移，嵌入到正極，電子被正極活性物質(zhì)接收，完成電能釋放。

鋰電池正極材料有很多不同的配方，鈷酸鋰、鎳鈷錳、鎳鈷鋁，這里暫不討論正極。負極材質(zhì)方面一般采用石墨配方制作，石墨易取得且價格便宜，并且性能還行，所以石墨負極作為電池負極主要材質(zhì)已使用了幾十年。

石墨材質(zhì)負極電池多次循環(huán)后，架構(gòu)開始不穩(wěn)定，部分鋰離子無法嵌入到負極內(nèi)部只能停留在負極表面，慢慢堆積起來產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，可用與遷移的鋰離子越來越少，容量快速衰減，嚴(yán)重時會析鋰會變成鋰枝晶刺破隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路漏電甚至爆炸。容量方面?zhèn)鹘y(tǒng)石墨負極材質(zhì)鋰電池能量密度理論上限約為372mAh/g，目前技術(shù)已迫近理論值難以再往上突破，尋求新材質(zhì)配方勢在必行。

硅負極新材質(zhì)電池挑戰(zhàn)

把硅材質(zhì)應(yīng)用到電池負極上需要面對幾個難題：

一是硅顆粒在鋰離子充電時會膨脹，最大可膨脹至原來4倍，結(jié)果是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌，電極材料脫落。

二是硅本身為半導(dǎo)體材料，相比常用的石墨負極，導(dǎo)電性差很多，鋰離子脫嵌不可逆程度大，也影響電池容量。

2019年，特斯拉在電池日活動上就介紹了特斯拉將開發(fā)硅負極材質(zhì)電池，通過在在硅原材料上涂抹特殊涂層達到穩(wěn)定硅結(jié)構(gòu)的作用，避免充電膨脹性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。

新能源汽車的成本占比中，電池組占比十分高，特斯拉使用硅負極電池主要是用于大幅度降低成本提升產(chǎn)能，迅速搶占新能源汽車市場。

小米將硅負極電池應(yīng)用到數(shù)碼配件上，同樣要解決硅膨脹的物理特性才可以將其量產(chǎn)使用。

小米11 Ultra并非首次使用硅負極材質(zhì)電池的小米手機

早在2019年9月，小米概念機MIX Alpha上就使用了納米硅碳負極材質(zhì)電池，在4050mAh容量的電池上實現(xiàn)了40W有線閃充。

雖然MIX Alpha只是技術(shù)驗證機型未量產(chǎn)，但也能看出小米在2019年甚至更早前，就已經(jīng)開始對電池新負極材質(zhì)進行探索。

相比起第一代硅碳負極，這次小米11 Ultra采用了更為成熟穩(wěn)定的硅氧負極材質(zhì)電池，屬于小米第二代硅負極電池技術(shù)，通過摻硅補鋰的方式在負極中使用了納米級硅氧化物，與第一代硅碳材質(zhì)相比擁有更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

硅氧負極有效避免充放電過程中硅顆粒膨脹導(dǎo)致破裂粉化，解決硅負極電池壽命問題，讓這種新材質(zhì)電池不止停留在概念上，進入實際量產(chǎn)讓消費者受惠。

狹窄空間內(nèi)的容量提升

目前旗艦機型電池容量一般在4000-4500之間，入門級產(chǎn)品反而經(jīng)常見到5000甚至以上的超大電池，為什么旗艦機型電池反而沒入門機容量大？

因為入門機型攝像頭模塊占據(jù)空間少，處理器性能釋放較為溫和無需額外投入大散熱規(guī)模處理，并且入門用戶對外觀手感設(shè)計等沒太大追求，所以入門機相對來說擁有更大的空間放入大電池。

而旗艦機型則不同，有看過拆解的小伙伴就知道，旗艦機型一般在性能方面都做到了全面堆料，影像部分?jǐn)z像頭模組占了巨大的空間，主板被擠壓到只剩下一丁點空間，強悍的處理器還要放入均熱板、熱管、石墨導(dǎo)熱貼等散熱模塊，還要預(yù)留空間給無線充電線圈，所以旗艦機型電池反而無法再做大。

傳統(tǒng)石墨負極材質(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。

而硅負極材質(zhì)能量密度上限高達4200mAh/g，是傳統(tǒng)石墨負極材質(zhì)的10倍儲電能力，可以在相同的空間內(nèi)放入更大容量。

小米11 Ultra機內(nèi)結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的三段式設(shè)計，機身厚度也僅為8.38mm，電池倉空間并未見有特別增大，就在這小小的空間內(nèi)，放入了5000mAh大容量電池，可見硅氧負極電池的確可以提升能量密度。

雖然硅負極材質(zhì)電池能量密度十倍于石墨材質(zhì)電池，但小米11 Ultra作為首款搭載硅氧負極電池的量產(chǎn)數(shù)碼產(chǎn)品，小米并未將硅氧負極電池實力盡情發(fā)揮，而是做出了十分謹(jǐn)慎的處理，相信以后更多產(chǎn)品搭載硅氧負極電池的產(chǎn)品后，小米將會進一步提升能量密度。

67W大功率快充

電池三塊拼圖，壽命、容量、性能，解決了壽命穩(wěn)定性并提升容量后，最后一塊拼圖就是性能：快充。前面已經(jīng)說過電池是卷繞堆疊的方式制作，連接外部的是極耳。極耳就好比是馬路，傳統(tǒng)電池采用雙向單車道設(shè)計，所有車輛通行都在這道路上，速度受限于單車道只能低效前進，就算汽車提速也會引起不穩(wěn)定，簡單來說就是傳統(tǒng)電池極耳少內(nèi)阻高只能慢充，大電流會發(fā)熱，難以提升充電功率。

小米11 Ultra電池采用了MTW多極耳技術(shù)制作，多達20個極耳好比修建了對向10車道，大幅度增加了通行效率，大幅度降低內(nèi)阻，可支撐大電流充電并降低溫升。

小米11 Ultra配套充電器型號為MDY-12-ES，輸出功率67W，是小米私有快充系統(tǒng)內(nèi)常見的魔改A口PD充電器，支持5V3A / 9V3A / 11V6.1A / 20V3.25A，其中11V6.1A正是小米11 Ultra快充所使用的電壓檔。

小米11 Ultra內(nèi)部為ATL單電芯結(jié)構(gòu)，有線充電部分采用2：1電荷泵充電技術(shù)，通過電壓減半電流加倍的方式進行高效直充。按照電池電壓4.45V計算，實際充電器輸出8.9V6.1A，電池端直充功率將達到4.45V12.2A。從官方提供的數(shù)據(jù)中可以得知，小米11 Ultra只需36分鐘就可以充滿100%，不管是完全充滿還是碎片化充電都非?？焖佟?/p>

總結(jié)

石墨負極電池技術(shù)已達到瓶頸難以提升能量密度，只能通過增大體積來增加容量，這限制了所有用電設(shè)備的設(shè)計、使用、體驗，比如手機要么做輕薄失去大容量電池，要么做成板磚那么厚來提升續(xù)航。

小米成功攻克新材質(zhì)電池技術(shù)全球首發(fā)硅氧負極電池，納米硅氧負極材質(zhì)保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定達到長壽命效果，能量密度的提升讓小米11 Ultra在8.38mm機身厚度內(nèi)，放入容量高達5000mAh的大電池，MTW 20極耳技術(shù)讓它支持67W電荷泵高壓直充。這意味著小米已掌握手機鋰電池核心技術(shù)，補足了木桶最大的一塊短板，并且會帶動整個行業(yè)全面進入新材質(zhì)電池的開發(fā)當(dāng)中。

小米在春季新品發(fā)布會上宣告進軍新能源汽車領(lǐng)域，擁有硅氧負極電池的技術(shù)儲備將會成為小米殺手锏，因為電池組是新能源汽車成本構(gòu)成的大頭，硅負極材質(zhì)電池大容量、低成本、高性能完美貼合新能源汽車行業(yè)，相信小米硅負極材質(zhì)電池將會顛覆新能源汽車現(xiàn)有的格局，改變整個生態(tài)。
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