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[新闻] 硅基负极电池是什么黑科技?为何让小米、华为等手机头部厂商趋之若鹜

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近几年,随着锂电池技术的不断发展,高端新能源汽车的续航焦虑得到了有效解决。其中,硅基负极材料发挥了至关重要的作用。应用这种技术的电池不仅实现了更高的容量,而且体积更小,因此成为了众多新能源汽车的首选。
自2021年开始,多家新能源汽车企业如特斯拉、蔚来和宁德时代等纷纷开始布局硅基负极电池领域。如今,硅基负极材料在智能手机领域的应用也逐渐受到关注。
在2021年3月29日,小米11 Pro成为首款搭载5000mAh硅氧负极电池的智能手机;2022年4月28日,华为在Mate Xs 2折叠屏手机上采用了4880mAh的高硅负极电池,这一技术虽然并非行业惯用名词,但根据华为的描述,它属于硅基负极电池的一种。

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图片来源:小米官网
到了2023年3月6日,荣耀Magic 5 Pro发布,搭载了5450mAh的青海湖电池,荣耀表示这是首款将硅碳负极电池技术商用的智能手机产品。而在2023年11月13日发布的vivo X100 Pro所采用的蓝海电池,据传是由vivo和宁德新能源共同开发,采用了碳元重组、激光刻蚀、极片重塑等技术,容量达到了5400mAh。
据在智能手机大厂工作的李明透露,随着硅碳负极电池技术的加速普及,预计在2024年将有一大批容量高达6000mAh的智能手机上市。考虑到今年高通和联发科的SoC功耗表现都相当出色,这意味着智能手机用户或许从此可以彻底摆脱困扰多年的续航焦虑。
技术的改进,细节的博弈

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图片来源:视觉中国
早在1990年,索尼公司就发明了第一块锂电池,这一基本架构至今仍在使用。锂电池由正极(Positive electrode)、负极(Negative electrode)、电解液(electrolyte)和隔膜(Separator)四个部分组成。
根据正极材料的不同,锂电池可以分为磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和三元电池等类型。长期以来,锂电池的负极主要采用天然石墨或人造石墨。
其中,电池的能量密度,也就是电池容量与体积的比值,由正极和负极的材料共同决定。目前,天然石墨负极的实际克容量大约在360-370mAh/g,人造石墨负极的实际克容量大约在340-360mAh/g。而硅负极的理论克容量可达4200mAh/g,远远超过了石墨材料。
但实际上,由于硅负极在充放电过程中会发生体积膨胀,特别是当硅与锂反应时,体积膨胀可以达到300%,这在电池领域是无法接受的。因此,实际应用的电池负极通常采用10%左右含量的硅和碳的复合材料组成硅碳负极材料,其实际克容量大约在450-600mAh/g之间,约为传统石墨负极的1.3倍。
关于硅碳复合材料的具体形式,有多种技术和工艺路径,包括纳米化、改性、包覆等。这些技术的核心在于增加锂离子嵌入活性位点和扩散通道的数量,使膨胀后的硅不会导致整体电池的膨胀变形。
这样,硅基负极在保持较高克容量的同时,也能满足快充所需的倍率性能的要求。展望未来,随着技术的不断进步,硅在硅碳负极电池中的含量有望进一步提高,从而不断提升电池的实际克容量。
目前来看,硅碳负极材料存在两大缺点:一是寿命短,天然石墨负极循环寿命通常小于1000次,人造石墨负极循环寿命超过3000次,而硅碳负极材料只有300-500次;二是价格高,常见的石墨负极价格大约是150元每100g,而硅碳负极价格可以高达大几百元每100g。
不过,从技术角度来看,使用寿命不长的问题并不能阻止硅基负极电池的普及。
西南科技大学副教授万琦告诉钛媒体App,此前硅基负极电池的寿命表现较差,因此硅基负极在新能源汽车领域推广应用并不顺利。但对智能手机产业而言,由于本身的换机周期更短,更换电池更容易也更便宜,因此对于电池循环寿命要求相对宽松,扫清了硅基负极电池在智能手机领域普及的障碍。
大时代下的必然

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图片来源:视觉中国
刚刚过去的2023年,对智能手机产业来说,是自诞生以来最具挑战性的一年。
根据IDC的数据报告,尽管2023年第四季度中国智能手机出货量结束了连续10个季度的下滑趋势,但全年的出货量同比下降了5.0%,降至2.71亿台,创近10年来新低。
面对如此激烈的市场竞争,影像技术成为智能手机厂商的必争之地。尽管过去被认为是“费力不讨好”,且用户感知度低、教育成本高,但华为、荣耀、OPPO、vivo、小米等品牌在算法、影调和主摄长焦领域都展现出了各自的实力。
但是,在面对能够一个全新的、能被用户感知、且能够通过数字直接传达的新技术时,智能手机厂商似乎没有理由因为较高的成本拒绝硅基负极电池。
华经产业研究报告指出,随着我国锂电池产量的不断增长,对负极材料的需求也在持续增加。2016年,我国负极材料出货量达到11.8万吨,而到了2022年,这一数字增长至137万吨,期间年均复合增长率高达50.5%。
从市场份额的角度看,2022年前六大负极材料供应商分别为贝特瑞(26%)、上海杉杉(16%)、江西紫宸(璞泰来,11%)、中科星城(9%)、广东凯金(9%)以及尚太科技(8%),合计占据了79%的市场份额,显示出市场集中度较高。
在2000年以前,日本是全球主要的负极材料供应国,占据了超过95%的市场份额。然而,如今中国已经成为全球负极材料供应的主要国家,其供应量占比超过80%,并且这一比例仍在持续增长。
从宏观角度来看,中国的新能源战略推动了锂电池的国产化进程。在这个过程中,负极材料的创新突破首先应用于新能源汽车领域。随着产业成熟和技术进步,这一技术的应用逐渐普及到智能手机领域。

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