新能源汽车的续航对决，击中了手机圈

小米今年年初发布14 Ultra，另一位主角“金沙江电池”珊珊在介绍了一个多小时的影像功能后迟到了。

小米14 Ultra“超大杯”的相机模块比上一代大了20%，但整机重量轻了3g，续航增长了17%。其背后的英雄是“金沙江电池”[1]。

“蓝海电池”来自vivo、从一加的“冰川电池”到荣耀的“青海湖电池”、小米的“金沙江电池”，几个国产手机品牌，突然和水杠上了起来。

在这些名山大川的背后，实际上是从隔壁新能源汽车进口的底层技术。——硅碳电池。

在给中国地形图命名之前，特斯拉生产的2170/4680电池和当代安普瑞斯科技有限公司麒麟电池都采用了硅碳电池计划。

“洞庭湖电池”、在“千岛湖电池”出现之前，或许有必要弄清楚硅碳电池是什么技术，可以让新能源汽车和消费电子两大行业都渴望它。

电子越狱

了解硅碳电池之前，首先要了解电池寿命的原理。

无论是手机还是汽车，电池充电的本质都是电子的“越狱”：原子核带正电，电子带负电，双方数量相同，原子正负电平衡。然而，在一定条件下(如电压和电解)，电子会与原子分离，产生电流。

电池工作可以简单理解为创造条件，使电子与原子分离，流入设计好的电路，形成电流，为电子产品输送电力。两个主要部件决定了一个电池的寿命。——正极和负极。

正极它是“拘留”电子的“牢房”，通常是金属化合物。锂元素使电子更容易逃离，因为它们常年失职，这已经成为大多数电池的选择，也就是所谓的“锂电池”。

负极它是电子的“安全屋”：在电子越狱之后遵循电路前去负极，这一过程中，将产生电流给电子产品供电。；这时，发现电子越狱的锂离子会迅速通过。电解液杀死负极，将电子擒拿归案，保持正负平衡。

电池充放电，就是电子不断越狱，锂离子不断抓取电子循环。

电池寿命的关键是扮演牢房的正极可以提供多少准备，容纳负责抓取电子的锂；第二，扮演安全屋的负极可以提供多少床，容纳电子逃生。

近年来，电池厂的技术投资大多在正品材料上。可以理解为，在确定锂元素的主要地位后，选择什么材料作为辅警，配合锂离子抓电子。

三元锂电池就是正极选用三种锂元素化合物的电池。例如NCM811，就是镍（N）酸锂、钴（C）酸锂、锰（M）酸锂混合，811代表摩尔配比的三种元素。NCM522是另一种比例。

磷酸铁锂电池即正极材料为磷酸铁锂，虽然捕捉电子的能力不如三元锂电池，但比不需要稀有金属，便宜大碗要好。

近十年来，电池厂围绕正极，从“三元锂VS磷酸铁锂”到“有钴VS无钴”、低镍VS高镍，能量密度不断提高，电动汽车的续航里程也从300km增加到700km以上。

然而，经过多年的投资，正极材料的进步逐渐触及瓶颈，无法释放更多的岗位。因此，电池工厂将注意力转向负极，研究安全房屋的改造和施工方案。

长期以来，碳是负极材料的主流选择。常用的石墨是碳的旁边兄弟(同素异形体)。我们更熟悉另一个旁边兄弟，那就是裸钻。

裸钻(左)和石墨(右)的区别在于碳原子的排列方式不同。

面对电池寿命增加的压力，工程师们打开元素周期表，发现硅元素只是在碳的底部，属于“同族兄弟”，这意味着它们具有相似的化学性质，非常适合做锂电子的“收容所”。

碳和硅同族元素周期表

所以所谓“硅碳电池”，就是用硅和碳作为负极材料的电池，但是在成本和技术的枷锁中反复跳跃的一门艺术，就是在碳中掺入多少硅。

给负极加点料

2020年8月，特斯拉在官方网站上公布了电池日时间，背景图并不十分清晰，但引起了更多关注。

媒体很快透露，图中的“细线”本身就是硅纳米粉，这是一种新型的负极技术。其本质是以硅代替碳为负极材料，近年来在行业内积累了大量的声音。

马斯克很早就意识到，以碳为主要材料的负极将成为阻碍能量密度升级的障碍。因此，特斯拉很早就想到了负极。

Model于2015年推出 S时，特斯拉为其中一款配备了“暴力模式”，声称加速到100公里的速度只需要2.8秒。然而，与其他车型相比，这款动力更强的车型的续航里程提高了6%。马斯克在推特上暗暗戳了一下，给电池负极加了一些“调料”——这种“调料”就是硅。

与碳元素相比，硅元素的优点是空间更大，便于锂离子将电子一网打尽：

六个碳原子可以容纳一个锂离子，而一个硅原子可以容纳四个锂离子。从理论上讲，硅材料“收容”锂离子的能力，是碳材料的10倍以上[3]，是替代石墨材料的最佳选择。

简单地从材料上看，直接用硅代替碳作为电池负极，可以带来电池寿命的爆炸式提升。

然而，硅有一个致命的弱点——在充放电过程中，体积膨胀非常严重，锂离子进入时膨胀率最高为300%(碳膨胀率只有16%)[4]。锂离子离开后收缩，材料会在膨胀和收缩之间粉碎和粉化。在实际使用中，电池会迅速衰减，充电循环次数极低。

硅负极经过多次充放电循环后。

按照国际标准，动力电池必须能循环1000次左右，这样才能暂时封闭纯硅负极的道路。

特斯拉的解决办法是兼收并蓄，在石墨负极中加入少量硅，既可以提高续航能力，又可以保证循环次数。Model 松下2170电池负极采用S，硅含量为5%。

材料学家则沿着另一条路径突破——改变硅原子的呈现形式：

因为颗粒越低，越不容易粉碎，所以硅材料的尺寸要达到几十纳米(碳材料通常是几百纳米甚至几十纳米)μm），可以完美地避免硅化学的弱点。这些都是特斯拉2020年电池日介绍的极其激进的技术路线——“硅纳米线”。

按照特斯拉的思路，硅材料的尺寸可以达到10nm的水平，外界用二氧化硅覆盖，硅材料的100%[3]，不含一滴碳，童心未泯。

然而，在过去的四年里，“硅纳米粉”仍然静静地躺在马斯克的饼军团里。可能是因为马斯克的饼画太多了，大家都忘了还有这个饼。

特斯拉的技术研发思路一直是“物理课本上没有说不”。大多数电池厂仍然会选择更“务实”的路线——在碳负极中掺入一些硅，这样硅碳电池就可以用各种山川湖海集体出道。

然而，在新能源汽车的应用中，会出现一个成本问题:一方面，电池技术与快充桩相匹配，电池寿命基本充足；另一方面，即使要提高电池寿命，安装更多的电池组也可能是比硅碳负极更划算的提高“单位能量密度”的方法。

但是对于寸土寸金的手机来说，负极掺硅已迫在眉睫。

高档手机不做选择

2015年，中国智能手机出货量首次下降10%[5]，高速增长期结束，股票游戏时代开始。

从那以后，“堆叠”成为智能手机迭代的主线。各大手机品牌都不惜在相机、Cpu等硬件升级上花钱。作为“堆叠”的成年人，高端产品线充满了硝烟。但其实电池对手机体验影响很大。

根据PhoneArena在2015年的一项调查结果，64%的消费者最关心的手机功能改善是续航能力[6]。

与新能源汽车相比，手机厂商对硅碳电池的追求有一个重要原因：手机内部空间实在是太珍贵了。

近年来，随着三摄像头、人脸识别等功能的普及，手机内部镜头模块和人脸识别模块的面积迅速增加，侵蚀了不富裕的内部空间。iPhone15 与iPhone相比，Pro的电池电量更大。 15低，是因为多了一个摄像头，使得电池不得不为镜头模块的扩大而妥协。

移动电话不能像电瓶车一样，塞进更多的电池组，所以能提高“单位能量密度”的硅碳电池，进入手机厂商的视野。

小米11 相机模块和电池在Pro中

2019年，小米在MIX概念机 纳米硅电池在Alpha上首次使用。由于MIX Alpha的环绕屏设计太有吸引力了，导致大家对纳米硅电池这一相当激进的技术方案不太重视。

小米11两年后 Ultra，小米用硅氧化合物代替纳米硅加负极，第一次将硅碳电池带入量产模型。虽然硅氧化合物的能量密度没有纳米硅有效，但总比循环次数多，成本相对可控。

小米MIX Alpha，并未量产

小米11是因为硅碳负极的贡献。 Ultra进入了“5000mAh俱乐部”。与此同时，电池模块的体积几乎保持不变，机身的厚度也保持在8.38mm的舒适区。

此后，硅碳负极成为各高档产品线所必需的。而且折叠手机的出现，又给硅碳电池增添了一把火。

屏幕是手机中最耗电的部件。大多数“大折叠”手机本质上将屏幕面积扩大了三倍，成为真正的“吞电兽”。三星Z Fold 三是被吐槽“睡前满格，起床3%”；另外，由于“折叠”的形式，整机对轻薄的要求较高，对电池单位的能量密度要求较高。

高端手机的“极限堆放”，加上“既要又要”的折叠屏幕，将手机的续航能力带到了6000mAh的新高度。相比之下，iPhone的容量只有3349mAh 十五，多少有些尴尬。

几年前，苹果高管Greg接受采访。 Joswiak曾经发表过“iOS 3000mAh > 蒙蔽了5000mAh的言论。如今去隔壁的特斯拉取经，或许还不算太晚。

参考资料

[1]小米14 重磅发布Ultra｜专业的影像旗舰，让真实有层次，雷军

[2]硅纳米线电池的负极材料，特斯拉剧透，有什么看点？华宝证券

[3]产品介绍，官网Amprius

[4]克服“膨胀”，硅碳负极电池小身体有很大的能量，科普时报

[5]2015年中国智能手机年度报告，Strategy Analytics

[6]Going into 2016, battery life is still the number one concern with our readers, Phone Arena

本文来自微信公众号“远川科技评论”（ID：kechuangych），作者：何律衡，36氪经授权发布。

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