電池技術(shù)前進(jìn)的“一小步”——硅碳負(fù)極電池
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青海湖技術(shù)
近日，榮耀Magic 5的發(fā)布會上，介紹了一種"首次"應(yīng)用到手機(jī)上的電池材料，也就是，榮耀的青海湖技術(shù)——“硅碳負(fù)極”電池。據(jù)榮耀官方所言，“青海湖技術(shù)”致力于在輕薄的機(jī)身內(nèi)，提供最強(qiáng)的續(xù)航能力，而本次所發(fā)布的榮耀Magic 5 Pro所搭載的硅碳負(fù)極電池技術(shù)，相同體積下實(shí)現(xiàn)更大電池容量。
那么，到底什么是硅碳負(fù)極材料？它與傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料有什么優(yōu)劣呢？本篇文章筆者就給各位梳理介紹一下。
Magic 5 至臻版
第一塊商業(yè)化的鋰電池誕生于1991年的Sony，從這一刻起，人類就致力于提升電池的能量密度，而正負(fù)極材料的克容量就成為決定電池能量密度的關(guān)鍵。
我們先來看一下傳統(tǒng)石墨負(fù)極電極的工作原理。眾所周知，鋰電池的是由正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)，以及兩極之間的隔膜組成，在電池放電時，負(fù)極就會釋放出電子，經(jīng)過用電器（負(fù)載）回到正極。這時由于負(fù)極中損失了大量帶負(fù)電的電子，就充滿了大量帶正電的鋰離子，通過電解質(zhì)穿過電池隔膜，來到正極；而電池在充電的時候則相反，由于施加了外部電壓，電子會在外部從正極回到負(fù)極，而電池內(nèi)部，正極的鋰離子會重新經(jīng)過電解質(zhì)穿過隔膜，回到電池負(fù)極，這個過程順便將能量「存」了起來。
鋰電池充放電示意圖
所以說，在去除正極材料、電解質(zhì)和隔膜的影響，在理論上，負(fù)極上能「存儲」的鋰離子越多，理論上它的體積能量密度就越高?？巳萘浚唵蝸碇v就是，每克鋰電材料（或是其他材料）含多少mAh（毫安時）電量。雖說，現(xiàn)在的鋰電池使用石墨負(fù)極的成本很低，穩(wěn)定性很高，電池容量也不能算是小，但眼下石墨負(fù)極能提供的能量密度即將觸碰天花板，成為限制鋰離子電池容量木桶最短的一塊木板，想要突破能量密度限制，就得尋求新材料。而這個新材料，便是硅負(fù)極材料。
硅是目前我們已知的比容量最大的負(fù)極材料，石墨負(fù)極理論克容量為 372mAh/g，硅基負(fù)極理論克容量可高達(dá)4200mAh/g。也就是說，在理想情況下，硅負(fù)極的電池容量將是石墨負(fù)極的11倍。并且隨著人類半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，硅不僅數(shù)量近乎無限供應(yīng)，并且其純凈度也十分優(yōu)秀。
那么為什么有這么完美的電池材料在，各大廠商還沒有采用硅負(fù)極呢 事出反常必有妖，這就是因?yàn)楣柝?fù)極材料在充放電時，有著極其夸張的膨脹率。根據(jù)數(shù)據(jù)，硅基負(fù)極膨脹率高達(dá)300%。也就是說一個完全由硅制成的電池材料，像氣球一樣，將在充電時膨脹，又在放電時逐漸縮小，3倍的體積變化，是任何用電器內(nèi)部空間所不能承受的，這是硅材料電池最大的技術(shù)難點(diǎn)。 不僅如此，在循環(huán)性能上，硅基負(fù)極循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于石墨類負(fù)極，目前硅基負(fù)極循環(huán)壽命為 300-500 次。而造成其循壞壽命不理想的主要原因也是其極大的膨脹率會導(dǎo)致硅基負(fù)極材料的粉末化，從而影響電池的使用壽命。
那么克容量如此優(yōu)秀且相對易獲取的材料就因?yàn)樗娜秉c(diǎn)而被放棄了嗎？ 那肯定是不行的，解決硅材料膨脹的方法也很”簡單”，就是將硅摻入石墨之中，制成我們這編文章的主角——硅碳負(fù)極。
硅碳負(fù)極電池出現(xiàn)并不算什么很新的技術(shù)，該技術(shù)第一次進(jìn)入大眾視野是在對電池技術(shù)需求最迫切的新能源領(lǐng)域，特斯拉就宣布過，將硅碳負(fù)極電池應(yīng)用在汽車動力電池上，也就是著名的特斯拉4680電池。但直到目前，特斯拉都沒有實(shí)現(xiàn)對硅碳負(fù)極版本4680的高速量產(chǎn)。
而在手機(jī)廠商這邊，榮耀也不算第一個入場硅負(fù)極的廠家，早在 2019 年，小米在概念機(jī) MIX Alpha 上采用了硅碳負(fù)極電池，電池容量達(dá)到 4050mAh，但是MIX Alpha由于其過于激進(jìn)的設(shè)計(jì)，最終也沒能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；而在小米11 Pro 和 Ultra 上，小米也曾采用過類似技術(shù)的硅氧負(fù)極電池。
而本次榮耀Magic 5 Pro上所搭載的硅碳負(fù)極電池，準(zhǔn)確來說應(yīng)該算是第一次在手機(jī)上量產(chǎn)的硅碳負(fù)極電池技術(shù)。
那么榮耀是這么做到的呢？ 第一步，就是將電池中要用到的硅單質(zhì)，納米化，有研究表明只要硅顆粒的大小小于150nm，其膨脹率也會顯著下降，大約會從300%下降到30%左右，但是這30%的膨脹率也是不能接受的，于是便有了第二步； 第二步，就是使用碳將硅微粒包裹住，這樣做的好處有兩點(diǎn)： 一是可以作為緩沖層，進(jìn)一步抵消硅微粒的通電膨脹，二是可以增加整體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性。 要用什么樣的結(jié)構(gòu)將硅微粒包裹住呢？ 主要有四種： 第一種，直接在硅微粒外包裹住碳?xì)?，就像給硅穿一層衣服，就像是湯圓一樣的結(jié)構(gòu)； 第二種，在包裹住硅微粒的同時留一層空間，就像雞蛋一樣的結(jié)構(gòu)； 第三種，便是像漢堡一樣用兩塊碳原料夾住硅微粒； 第四種，就是榮耀的選擇，類似西瓜的結(jié)構(gòu)，將硅像西瓜子一樣嵌入石墨材料之內(nèi)。 眾所周知，石墨本來就是疏松多孔的結(jié)構(gòu)，正好適合將硅嵌入其中，并且還能留有一定的空間給硅做一定的膨脹，最后再利用氣象沉積發(fā)，再將一層碳包裹在其最外面，這樣瓜子（硅微粒）、瓜瓤（疏松石墨）、瓜皮（沉積碳）就構(gòu)成了這么一個微觀的“西瓜”三維結(jié)構(gòu)。所以，榮耀雖然并不是第一個在手機(jī)上應(yīng)用硅材料負(fù)極的廠商，但是，榮耀卻是第一個在手機(jī)上應(yīng)用三維“西瓜”結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料的手機(jī)廠商。
那么，其中的硅含量大約是多少呢 榮耀給出的說法是不到10%，而其具體的硅含量比例一般都是商業(yè)機(jī)密。各位可別小看這10%不到的硅含量，這塊全新的硅碳負(fù)極材料電池對比上一代電池，在體積縮小了2%的情況下，其容量增加了18%，這也從側(cè)面證明了硅這種材料的優(yōu)秀克容量?？梢哉f，榮耀開辟了電池技術(shù)發(fā)展的新賽道。
榮耀首發(fā)的硅碳負(fù)極材料電池，筆者相信在未來也會有越來越多的廠商采用類似的電池技術(shù)，來生成體積更小，容量更大的手機(jī)電池。而隨著追求黑科技的下游玩家們紛紛開始裝載硅碳負(fù)極，讓其產(chǎn)業(yè)化之路越來越平坦。
在未來，其技術(shù)應(yīng)該也會運(yùn)用到對電量更加急需的新能源汽車之上，汽車不同于手機(jī)，對于內(nèi)部空間要求相對寬松，留給硅的膨脹空間將會更加巨大，因此，其硅含量有望進(jìn)一步突破。筆者相信在未來新能源汽車的電池技術(shù)也將有一次不小的進(jìn)步，進(jìn)一步解決新能源汽車的電量焦慮問題。雖然新能源汽車全面普及仍有許多痛點(diǎn)需要解決，但是最關(guān)鍵的電池技術(shù)能有所突破，對于新能源汽車的進(jìn)一步滲透來說，絕對是最重要的一環(huán)。
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