电池技术重大突破,一文看懂小米全球首发硅氧负极电池

2021年04月06日 13:43 次阅读 稿源:充电头网 条评论

试问5年前有谁想到2021年的手机将会是什么样子?5G超高速通讯网络让人们随时可以接入互联网,将多年前仅限于通话的个人终端拓展出更多可能;强悍的处理器算力提供畅快的使用体验,甚至可以在手机上享受3A级游戏;影像部分更是达到前所未有的高度,抬手即拍的就拥有与相机一战之力的画质;屏幕更是从以前的3.5英寸最佳变成手机有多大屏幕就有多大。

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唯独,默默无闻为这么多高科技部件提供运行电力的电池,却难以突破自身界限,能量密度难以提升。人们另辟蹊径,从提高电池的充电功率,从缩短电池的充电时间着手,也只能缓解容量不够大的窘迫,不能解决根本性容量密度低下的问题。

石墨材质负极制作的锂电池已使用多年,经过逐年发展容量提升已达到瓶颈状态,想要获得更长的续航只能依赖简单粗暴的“增加电池尺寸”来提升容量,在如今追求轻、薄、手感的旗舰机中电池已成为木桶里最大短板。

谁能站出来?

2021年3月29日-30日小米连开两场春季新品发布会,小米11 Pro、小米11 Ultra、小米折叠屏手机等重磅旗舰手机亮相,小米全球首发了硅氧负极电池,并成功量产搭载在小米11 Pro、小米11 Ultra身上,高能量密度、高寿命、高性能的硅氧负极电池相信会带动电池行业迈向新的篇章。

电池原理

电池从结构件来划分主要由三个部件组成:阳极、阴极、与隔膜,通过卷绕堆叠等方式装配,填充电解液后封入钢壳或者软性包装内,就变成人们常见的电池,钢壳电池一般用于电动汽车上,数码产品一般使用软性包装。

在充电过程中,外部电压通过极耳施加到电池内部,正极锂离子释放电子,在电场作用下穿过隔膜在电解液中迁移至负极,嵌入到负极石墨活性物质内部,电子被接收,完成充电储能过程。外部带载需要放电时,锂离子释放电子并从负极脱嵌,穿过隔膜向正极迁移,嵌入到正极,电子被正极活性物质接收,完成电能释放。

传统石墨负极电池瓶颈

锂电池正极材料有很多不同的配方,钴酸锂、镍钴锰、镍钴铝,这里暂不讨论正极。负极材质方面一般采用石墨配方制作,石墨易取得且价格便宜,并且性能还行,所以石墨负极作为电池负极主要材质已使用了几十年。

石墨材质负极电池多次循环后,架构开始不稳定,部分锂离子无法嵌入到负极内部只能停留在负极表面,慢慢堆积起来产生析锂现象,可用与迁移的锂离子越来越少,容量快速衰减,严重时会析锂会变成锂枝晶刺破隔膜,导致电池内部短路漏电甚至爆炸。容量方面传统石墨负极材质锂电池能量密度理论上限约为372mAh/g,目前技术已迫近理论值难以再往上突破,寻求新材质配方势在必行。

小米每代旗舰电池发展

小米历代旗舰系列手机的电池容量发展,从上面的柱状图可以看到,小米历代旗舰机型的电池容量基本上随时间逐渐提升,但到达4000mAh之后容量增长开始放缓,电池容量最高为小米10的4780mAh,主要提升容量密度的方法是增大电池体积,可以看出传统石墨负极电池能量密度已到达瓶颈状态。

小米历代旗舰手机的快充发展可以看出在小米9前面的18W快充保持了很久,小米5是2015年发布的机型,小米8是2018年发布的机型,18W快充整整用了3年的时间。小米的快充是在2019年的小米9及以后的机型中得到显著的提升,也可以看出小米开始在快充技术方面开始发力,功率最高是小米10至尊纪念版,搭载了石墨烯基蝶式电池,功率达到120W,性能提升被能量密度拖了后腿。

硅负极新材质电池挑战

把硅材质应用到电池负极上需要面对几个难题,一是硅颗粒在锂离子充电时会膨胀,最大可膨胀至原来4倍,结果是导致结构坍塌,电极材料脱落。二是硅本身为半导体材料,相比常用的石墨负极,导电性差很多,锂离子脱嵌不可逆程度大,也影响电池容量。

2019年,特斯拉在电池日活动上就介绍了特斯拉将开发硅负极材质电池,通过在在硅原材料上涂抹特殊涂层达到稳定硅结构的作用,避免充电膨胀性导致结构损坏。新能源汽车的成本占比中,电池组占比十分高,特斯拉使用硅负极电池主要是用于大幅度降低成本提升产能,迅速抢占新能源汽车市场。小米将硅负极电池应用到数码配件上,同样要解决硅膨胀的物理特性才可以将其量产使用。

小米首发硅氧负极电池

小米11 Ultra并非首次使用硅负极材质电池的小米手机,早在2019年9月,小米概念机MIX Alpha上就使用了纳米硅碳负极材质电池,在4050mAh容量的电池上实现了40W有线闪充。虽然MIX Alpha只是技术验证机型未量产,但也能看出小米在2019年甚至更早前,就已经开始对电池新负极材质进行探索。

相比起第一代硅碳负极,这次小米11 Ultra采用了更为成熟稳定的硅氧负极材质电池,属于小米第二代硅负极电池技术,通过掺硅补锂的方式在负极中使用了纳米级硅氧化物,与第一代硅碳材质相比拥有更加稳定的结构。硅氧负极有效避免充放电过程中硅颗粒膨胀导致破裂粉化,解决硅负极电池寿命问题,让这种新材质电池不止停留在概念上,进入实际量产让消费者受惠。

狭窄空间内的容量提升

目前旗舰机型电池容量一般在4000-4500之间,入门级产品反而经常见到5000甚至以上的超大电池,为什么旗舰机型电池反而没入门机容量大?因为入门机型摄像头模块占据空间少,处理器性能释放较为温和无需额外投入大散热规模处理,并且入门用户对外观手感设计等没太大追求,所以入门机相对来说拥有更大的空间放入大电池。

而旗舰机型则不同,有看过拆解的小伙伴就知道,旗舰机型一般在性能方面都做到了全面堆料,影像部分摄像头模组占了巨大的空间,主板被挤压到只剩下一丁点空间,强悍的处理器还要放入均热板、热管、石墨导热贴等散热模块,还要预留空间给无线充电线圈,所以旗舰机型电池反而无法再做大。

传统石墨负极材质锂电池能量密度理论上限为372mAh/g,目前技术已迫近理论值难以再往上突破。而硅负极材质能量密度上限高达4200mAh/g,是传统石墨负极材质的10倍储电能力,可以在相同的空间内放入更大容量。

小米11 Ultra机内结构为传统的三段式设计,机身厚度也仅为8.38mm,电池仓空间并未见有特别增大,就在这小小的空间内,放入了5000mAh大容量电池,可见硅氧负极电池的确可以提升能量密度。虽然硅负极材质电池能量密度十倍于石墨材质电池,但小米11 Ultra作为首款搭载硅氧负极电池的量产数码产品,小米并未将硅氧负极电池实力尽情发挥,而是做出了十分谨慎的处理,相信以后更多产品搭载硅氧负极电池的产品后,小米将会进一步提升能量密度。

67W大功率快充

电池三块拼图,寿命、容量、性能,解决了寿命稳定性并提升容量后,最后一块拼图就是性能:快充。前面已经说过电池是卷绕堆叠的方式制作,连接外部的是极耳。极耳就好比是马路,传统电池采用双向单车道设计,所有车辆通行都在这道路上,速度受限于单车道只能低效前进,就算汽车提速也会引起不稳定,简单来说就是传统电池极耳少内阻高只能慢充,大电流会发热,难以提升充电功率。

小米11 Ultra电池采用了MTW多极耳技术制作,多达20个极耳好比修建了对向10车道,大幅度增加了通行效率,大幅度降低内阻,可支撑大电流充电并降低温升。

小米11 Ultra配套充电器型号为MDY-12-ES,输出功率67W,是小米私有快充系统内常见的魔改A口PD充电器,支持5V3A / 9V3A / 11V6.1A / 20V3.25A,其中11V6.1A正是小米11 Ultra快充所使用的电压档。

小米11 Ultra内部为ATL单电芯结构,有线充电部分采用2:1电荷泵充电技术,通过电压减半电流加倍的方式进行高效直充。按照电池电压4.45V计算,实际充电器输出8.9V6.1A,电池端直充功率将达到4.45V12.2A。从官方提供的数据中可以得知,小米11 Ultra只需36分钟就可以充满100%,不管是完全充满还是碎片化充电都非常快速。

充电头网总结

石墨负极电池技术已达到瓶颈难以提升能量密度,只能通过增大体积来增加容量,这限制了所有用电设备的设计、使用、体验,比如手机要么做轻薄失去大容量电池,要么做成板砖那么厚来提升续航。

小米成功攻克新材质电池技术全球首发硅氧负极电池,纳米硅氧负极材质保证其结构稳定达到长寿命效果,能量密度的提升让小米11 Ultra在8.38mm机身厚度内,放入容量高达5000mAh的大电池,MTW 20极耳技术让它支持67W电荷泵高压直充。这意味着小米已掌握手机锂电池核心技术,补足了木桶最大的一块短板,并且会带动整个行业全面进入新材质电池的开发当中。

小米在春季新品发布会上宣告进军新能源汽车领域,拥有硅氧负极电池的技术储备将会成为小米杀手锏,因为电池组是新能源汽车成本构成的大头,硅负极材质电池大容量、低成本、高性能完美贴合新能源汽车行业,相信小米硅负极材质电池将会颠覆新能源汽车现有的格局,改变整个生态。

本文探讨了小米在新材质电池领域方面的突破,下一篇文章充电头网将会继续探讨小米在无线充方面的黑科技,如何实现67W无线充的商用量产。

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