手機(jī)電池革新！明年7000mAh有望成趨勢，碳硅負(fù)極材料開始快速普及

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃山明）智能手機(jī)發(fā)展至今，已經(jīng)成為人類社會社會中重要一環(huán)。而支撐手機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵在于電池，為了支撐當(dāng)下越來越豐富的應(yīng)用，以及各種硬件功能，所需要的能耗也越來越多，因此對手機(jī)電池的性能要求也越來越高。

從最初功能機(jī)，到如今的智能手機(jī)，手機(jī)電池容量在不斷地加大，而續(xù)航反而極大地縮短。更豐富的使用場景，以及更短的續(xù)航之間的矛盾，迫使廠商尋找有效的解決方案，以求在日益激烈的智能手機(jī)市場中脫穎而出。

多款手機(jī)電池容量將超7000mAh

續(xù)航是如今智能手機(jī)性能中的重要一環(huán)，如何在更小的尺寸中做到更大容量電池，考驗(yàn)著各家廠商的技術(shù)水平。這里不單單涉及到手機(jī)設(shè)計(jì)時對內(nèi)部空間利用的最大化，以及散熱系統(tǒng)的優(yōu)化，同時還要求電池材料的持續(xù)創(chuàng)新。

從近期發(fā)布的智能手機(jī)來看，電池容量越來越大已經(jīng)成為趨勢。如11月發(fā)布的紅魔10 PRO搭載一塊7050mAh牛魔王電池，Redmi K80則采用了一塊6550mAh的小米金沙江電池，iQOO Neo10系列配備6100mAh藍(lán)海電池。

12月，真我Neo7將搭載7000mAh的泰坦電池；小米也將推出配備7000mAh的Redmi Turbo 4 Pro以及擁有7500mAh電池的更高端產(chǎn)品；榮耀X70系列也正在測試7800mAh電池。

或許很多人對7000mAh的電池沒有概念，舉個例子，小米平板4的電池容量為6000mAh，華為MatePad Pro的電池容量為7250mAh。這意味如今的手機(jī)電池容量已經(jīng)可以比肩平板電腦。



據(jù)相關(guān)博主透露，明年的中高性能手機(jī)電池都會來到6500-7000mAh左右，還包括紅米、一加等，全面進(jìn)入7000mAh時代，只是時間問題。

而促使手機(jī)廠商將電池容量大幅提升的主要原因，在于當(dāng)前電池材料的革新。傳統(tǒng)手機(jī)電池負(fù)極材料通常采用石墨，這一材料具備產(chǎn)量豐富、價格低廉、安全性高且技術(shù)成熟等優(yōu)勢，但石墨容納鋰離子的能力稍顯不足。

而硅的理論容量遠(yuǎn)高于石墨，能達(dá)到超4200mAh/g，是石墨的近十倍。硅碳負(fù)極電池通過在負(fù)極材料中添加硅，有效提升了電池的能量密度，從而為增大電池容量開辟了新路徑。例如在一家ACE 3 Pro冰川電池中的含硅量為6%，電池容量從5000mAh增加到了6100mAh，體積還減少了3%。

據(jù)行業(yè)內(nèi)人士透露，由于碳和硅處在元素周期表的第ⅣA族，它們的原子最外層電子數(shù)均為4個，但硅比碳多了一層，1個硅原子可以容納3.75個鋰離子，因此加了硅之后，能量的存儲密度能夠提升一個數(shù)量級。

因此，如今不少廠商在進(jìn)行宣傳時，都以電池的含硅量作為指標(biāo)來進(jìn)行對比，比如寧德時代泰坦電池的含硅量達(dá)到了10%，已經(jīng)達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平。既然添加硅后電池的性能表現(xiàn)優(yōu)異，那為何不再多添加一些呢？

有材料行業(yè)專業(yè)人士表示，添加硅有利有弊，盡管會讓電池容量大增，但硅含量過多時，電池極易發(fā)生鼓包現(xiàn)象，比如硅在與鋰離子發(fā)生合金化反應(yīng)時，體積會膨脹較大，可能達(dá)到300%甚至更高，會導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和壽命大幅縮短。為此，研究人員通過納米化處理、碳包覆以及硅氧化物復(fù)合等方法，將硅與碳結(jié)合，形成了更為穩(wěn)定的硅碳負(fù)極材料。

性能or安全？

如今，消費(fèi)者對于手機(jī)續(xù)航的重視與日俱增，加上如今智能手機(jī)屏幕分辨率以及刷新率的提升、5G、AI以及高性能SoC加入，讓智能手機(jī)的能耗居高不下，促使消費(fèi)者優(yōu)先選擇大電池容量的機(jī)型。

這就給了硅碳負(fù)極電池巨大的市場機(jī)遇，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，硅基負(fù)極材料在優(yōu)化條件下，可使電池能量密度提升30%-50%甚至更多。如某款手機(jī)原電池容量4000mAh，采用含硅負(fù)極后，能量密度若提升40%，容量可超5600mAh。

當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，由于硅與鋰合金化反應(yīng)的體積膨脹問題，雖然可以通過采用硅碳復(fù)合負(fù)極材料或其他改性手段，將硅納米化、構(gòu)建特殊結(jié)構(gòu)等，卻也增加工藝復(fù)雜性與成本，且會降低硅提升容量的理論效果，使實(shí)際容量提升幅度多在20%-40%之間。

顯然，這也意味著，即便加入了硅碳負(fù)極材料，未來手機(jī)電池的容量也是有上限的，但仍然可以期待明年旗艦手機(jī)電池容量有望達(dá)到7000mAh的水平，讓續(xù)航能力進(jìn)一步提升。

當(dāng)然，在性能進(jìn)一步提升的同時，還需要注重安全。有電池研發(fā)工程師透露，由于電池容量持續(xù)增加，加上體積限制，就會導(dǎo)致內(nèi)部能量密度顯著提升。這會使得電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量更多，傳統(tǒng)散熱技術(shù)將難以有效控制，容易引發(fā)熱失控，導(dǎo)致危險發(fā)生。

尤其在硅碳負(fù)極電池中，一旦硅含量過高，容易導(dǎo)致電池膨脹，進(jìn)而致使電極材料結(jié)構(gòu)變形、粉化與脫落。而電極結(jié)構(gòu)損壞會使電池內(nèi)短路風(fēng)險驟增，引發(fā)電池過熱、鼓包甚至爆炸。

此外，硅材料首次充放電過程中的庫侖效率相對較低，即首次充電過程中能夠存儲并在后續(xù)放電過程中有效利用的電量比例較低。這部分損失的電量會在首次充電時轉(zhuǎn)化為熱量釋放，不僅降低了電池的實(shí)際可用容量，還可能引發(fā)電池發(fā)熱等安全問題，影響手機(jī)的使用安全和性能。

原理上，在首次充電時大量鋰嵌入硅形成不穩(wěn)定SEI膜并消耗鋰，造成首次充電容量損失。同時，SEI膜不斷生長與修復(fù)，消耗電解液與鋰資源，使電池內(nèi)壓升高、阻抗增大、產(chǎn)熱加劇。尤其在高溫或高倍率充放電時，熱量積聚難散，加速電池老化與性能衰退，極端情況引發(fā)熱失控致電池燃燒爆炸。

這就需要有相應(yīng)的方案來解決這些問題，目前的方法是將硅納米化分散于碳基體形成復(fù)合材料，利用碳的柔韌性與導(dǎo)電性緩沖硅體積膨脹、增強(qiáng)電子傳輸，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與導(dǎo)電性，抑制鋰枝晶生長，降低內(nèi)短路風(fēng)險。

不過現(xiàn)有的電池生產(chǎn)工藝與高硅含量電池材料匹配度不高，高硅材料對電極涂覆、干燥、壓實(shí)等工序提出了新的要求，傳統(tǒng)工藝參數(shù)需要進(jìn)行答復(fù)調(diào)整優(yōu)化。如高硅電極柔韌性與強(qiáng)度改變，涂覆時易出現(xiàn)裂紋、脫落，干燥中因應(yīng)力龜裂，壓實(shí)過度損傷電極結(jié)構(gòu)，影響電池性能與良品率，需研發(fā)適配新工藝，突破高硅負(fù)極材料量產(chǎn)瓶頸，實(shí)現(xiàn)更高硅含量應(yīng)用與電池性能提升。

如何做到安全的同時，又能極大地提升手機(jī)電池容量，將成為電池行業(yè)的長期關(guān)注點(diǎn)。

總結(jié)

隨著碳硅負(fù)極材料的普及，至少在近幾年，手機(jī)電池容量將有望得到大幅提升，有效提高消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。不過在電池容量提升的同時，如何保障加入硅材料后，電池依然能夠擁有卓越的安全性，將成為考驗(yàn)各大電池廠商的關(guān)鍵。