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電池技術前進的“一小步”——硅碳負極電池

作者:ZongYu時間:2023-04-14來源:EEPW收藏

本文引用地址:http://www.kongbao21.cn/article/202304/445617.htm

青海湖技術


近日,Magic 5的發布會上,介紹了一種"首次"應用到手機上的電池材料,也就是,的青海湖技術——“”電池。據官方所言,“青海湖技術”致力于在輕薄的機身內,提供最強的續航能力,而本次所發布的榮耀Magic 5 Pro所搭載的電池技術,相同體積下實現更大電池容量。


那么,到底什么是材料?它與傳統的石墨負極材料有什么優劣呢?本篇文章筆者就給各位梳理介紹一下。




         圖片

Magic 5 至臻版

第一塊商業化的誕生于1991年的Sony,從這一刻起,人類就致力于提升電池的能量密度,而正負極材料的克容量就成為決定電池能量密度的關鍵。

我們先來看一下傳統石墨負極電極的工作原理。眾所周知,的是由正極材料、負極材料、電解質,以及兩極之間的隔膜組成,在電池放電時,負極就會釋放出電子,經過用電器(負載)回到正極。這時由于負極中損失了大量帶負電的電子,就充滿了大量帶正電的鋰離子,通過電解質穿過電池隔膜,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極,而電池內部,正極的鋰離子會重新經過電解質穿過隔膜,回到電池負極,這個過程順便將能量「存」了起來。

圖片充放電示意圖

所以說,在去除正極材料、電解質和隔膜的影響,在理論上,負極上能「存儲」的鋰離子越多,理論上它的體積能量密度就越高??巳萘?,簡單來講就是,每克鋰電材料(或是其他材料)含多少mAh(毫安時)電量。雖說,現在的鋰電池使用石墨負極的成本很低,穩定性很高,電池容量也不能算是小,但眼下石墨負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,便是硅負極材料。

硅是目前我們已知的比容量最大的負極材料,石墨負極理論克容量為 372mAh/g,硅基負極理論克容量可高達4200mAh/g。也就是說,在理想情況下,硅負極的電池容量將是石墨負極的11倍。并且隨著人類半導體技術的高速發展,硅不僅數量近乎無限供應,并且其純凈度也十分優秀。



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極呢


事出反常必有妖,這就是因為硅負極材料在充放電時,有著極其夸張的膨脹率。根據數據,硅基負極膨脹率高達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,是任何用電器內部空間所不能承受的,這是硅材料電池最大的技術難點。


不僅如此,在循環性能上,硅基負極循環壽命遠低于石墨類負極,目前硅基負極循環壽命為 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致硅基負極材料的粉末化,從而影響電池的使用壽命。



那么克容量如此優秀且相對易獲取的材料就因為它的缺點而被放棄了嗎?


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——硅碳負極。




硅碳負極電池出現并不算什么很新的技術,該技術第一次進入大眾視野是在對電池技術需求最迫切的新能源領域,特斯拉就宣布過,將硅碳負極電池應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,特斯拉都沒有實現對硅碳負極版本4680的高速量產。

而在手機廠商這邊,榮耀也不算第一個入場硅負極的廠家,早在 2019 年,小米在概念機 MIX Alpha 上采用了硅碳負極電池,電池容量達到 4050mAh,但是MIX Alpha由于其過于激進的設計,最終也沒能實現量產;而在小米11 Pro 和 Ultra 上,小米也曾采用過類似技術的硅氧負極電池。


而本次榮耀Magic 5 Pro上所搭載的硅碳負極電池,準確來說應該算是第一次在手機上量產的硅碳負極電池技術。


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,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:

一是可以作為緩沖層,進一步抵消硅微粒的通電膨脹,二是可以增加整體結構的導電性。


要用什么樣的結構將硅微粒包裹住呢?


主要有四種:


第一種,直接在硅微粒外包裹住碳殼,就像給硅穿一層衣服,就像是湯圓一樣的結構;


第二種,在包裹住硅微粒的同時留一層空間,就像雞蛋一樣的結構;


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,類似西瓜的結構,將硅像西瓜子一樣嵌入石墨材料之內。


眾所周知,石墨本來就是疏松多孔的結構,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,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)就構成了這么一個微觀的“西瓜”三維結構。所以,榮耀雖然并不是第一個在手機上應用硅材料負極的廠商,但是,榮耀卻是第一個在手機上應用三維“西瓜”結構硅碳負極材料的手機廠商。


圖片



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機密。各位可別小看這10%不到的硅含量,這塊全新的硅碳負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%,這也從側面證明了硅這種材料的優秀克容量??梢哉f,榮耀開辟了電池技術發展的新賽道。



榮耀首發的硅碳負極材料電池,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,來生成體積更小,容量更大的手機電池。而隨著追求黑科技的下游玩家們紛紛開始裝載硅碳負極,讓其產業化之路越來越平坦。

在未來,其技術應該也會運用到對電量更加急需的新能源汽車之上,汽車不同于手機,對于內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,其硅含量有望進一步突破。筆者相信在未來新能源汽車的電池技術也將有一次不小的進步,進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需要解決,但是最關鍵的電池技術能有所突破,對于新能源汽車的進一步滲透來說,絕對是最重要的一環。




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