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
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。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。西南科技大学副教授万琦对钛媒体App表示，贝特瑞在硅基负极领域一度具有较大程度的领先，其售价曾高达35万元每吨。然而，随着竞争对手的加入和技术不断成熟，市场价格逐渐下降。目前，市场普遍的均价约在10-20万每吨。目前来看，硅基负极电池技术正在进入高速发展期，智能手机虽然仍处于低谷期，但每年约12亿出货量的产业规模仍具有足够大的体量。随着技术的普及、均价的降低，每个人的手机都有6000mAh的大电池，每天只需要充一次电的日子，应该不远了。（本文首发钛媒体App 作者/吴泓磊 编辑/钟毅，文中李明为化名）
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