电子产品世界

青海湖技术

近日，荣耀Magic 5的发布会上，介绍了一种"首次"应用到手机上的电池材料，也就是，荣耀的青海湖技术——“硅碳负极”电池。据荣耀官方所言，“青海湖技术”致力于在轻薄的机身内，提供最强的续航能力，而本次所发布的荣耀Magic 5 Pro所搭载的硅碳负极电池技术，相同体积下实现更大电池容量。

那么，到底什么是硅碳负极材料？它与传统的石墨负极材料有什么优劣呢？本篇文章笔者就给各位梳理介绍一下。

         

Magic 5 至臻版

第一块商业化的锂电池诞生于1991年的Sony，从这一刻起，人类就致力于提升电池的能量密度，而正负极材料的克容量就成为决定电池能量密度的关键。

我们先来看一下传统石墨负极电极的工作原理。众所周知，锂电池的是由正极材料、负极材料、电解质，以及两极之间的隔膜组成，在电池放电时，负极就会释放出电子，经过用电器（负载）回到正极。这时由于负极中损失了大量带负电的电子，就充满了大量带正电的锂离子，通过电解质穿过电池隔膜，来到正极；而电池在充电的时候则相反，由于施加了外部电压，电子会在外部从正极回到负极，而电池内部，正极的锂离子会重新经过电解质穿过隔膜，回到电池负极，这个过程顺便将能量「存」了起来。

锂电池充放电示意图

所以说，在去除正极材料、电解质和隔膜的影响，在理论上，负极上能「存储」的锂离子越多，理论上它的体积能量密度就越高。克容量，简单来讲就是，每克锂电材料（或是其他材料）含多少mAh（毫安时）电量。虽说，现在的锂电池使用石墨负极的成本很低，稳定性很高，电池容量也不能算是小，但眼下石墨负极能提供的能量密度即将触碰天花板，成为限制锂离子电池容量木桶最短的一块木板，想要突破能量密度限制，就得寻求新材料。而这个新材料，便是硅负极材料。

硅是目前我们已知的比容量最大的负极材料，石墨负极理论克容量为 372mAh/g，硅基负极理论克容量可高达4200mAh/g。也就是说，在理想情况下，硅负极的电池容量将是石墨负极的11倍。并且随着人类半导体技术的高速发展，硅不仅数量近乎无限供应，并且其纯净度也十分优秀。

那么为什么有这么完美的电池材料在，各大厂商还没有采用硅负极呢

事出反常必有妖，这就是因为硅负极材料在充放电时，有着极其夸张的膨胀率。根据数据，硅基负极膨胀率高达300%。也就是说一个完全由硅制成的电池材料，像气球一样，将在充电时膨胀，又在放电时逐渐缩小，3倍的体积变化，是任何用电器内部空间所不能承受的，这是硅材料电池最大的技术难点。

不仅如此，在循环性能上，硅基负极循环寿命远低于石墨类负极，目前硅基负极循环寿命为 300-500 次。而造成其循坏寿命不理想的主要原因也是其极大的膨胀率会导致硅基负极材料的粉末化，从而影响电池的使用寿命。

那么克容量如此优秀且相对易获取的材料就因为它的缺点而被放弃了吗？

那肯定是不行的，解决硅材料膨胀的方法也很”简单”，就是将硅掺入石墨之中，制成我们这编文章的主角——硅碳负极。

硅碳负极电池出现并不算什么很新的技术，该技术第一次进入大众视野是在对电池技术需求最迫切的新能源领域，特斯拉就宣布过，将硅碳负极电池应用在汽车动力电池上，也就是著名的特斯拉4680电池。但直到目前，特斯拉都没有实现对硅碳负极版本4680的高速量产。

而在手机厂商这边，荣耀也不算第一个入场硅负极的厂家，早在 2019 年，小米在概念机 MIX Alpha 上采用了硅碳负极电池，电池容量达到 4050mAh，但是MIX Alpha由于其过于激进的设计，最终也没能实现量产；而在小米11 Pro 和 Ultra 上，小米也曾采用过类似技术的硅氧负极电池。

而本次荣耀Magic 5 Pro上所搭载的硅碳负极电池，准确来说应该算是第一次在手机上量产的硅碳负极电池技术。

那么荣耀是这么做到的呢？

第一步，就是将电池中要用到的硅单质，纳米化，有研究表明只要硅颗粒的大小小于150nm，其膨胀率也会显著下降，大约会从300%下降到30%左右，但是这30%的膨胀率也是不能接受的，于是便有了第二步；

第二步，就是使用碳将硅微粒包裹住，这样做的好处有两点：

一是可以作为缓冲层，进一步抵消硅微粒的通电膨胀，二是可以增加整体结构的导电性。

要用什么样的结构将硅微粒包裹住呢？

主要有四种：

第一种，直接在硅微粒外包裹住碳壳，就像给硅穿一层衣服，就像是汤圆一样的结构；

第二种，在包裹住硅微粒的同时留一层空间，就像鸡蛋一样的结构；

第三种，便是像汉堡一样用两块碳原料夹住硅微粒；

第四种，就是荣耀的选择，类似西瓜的结构，将硅像西瓜子一样嵌入石墨材料之内。

众所周知，石墨本来就是疏松多孔的结构，正好适合将硅嵌入其中，并且还能留有一定的空间给硅做一定的膨胀，最后再利用气象沉积发，再将一层碳包裹在其最外面，这样瓜子（硅微粒）、瓜瓤（疏松石墨）、瓜皮（沉积碳）就构成了这么一个微观的“西瓜”三维结构。所以，荣耀虽然并不是第一个在手机上应用硅材料负极的厂商，但是，荣耀却是第一个在手机上应用三维“西瓜”结构硅碳负极材料的手机厂商。

那么，其中的硅含量大约是多少呢

荣耀给出的说法是不到10%，而其具体的硅含量比例一般都是商业机密。各位可别小看这10%不到的硅含量，这块全新的硅碳负极材料电池对比上一代电池，在体积缩小了2%的情况下，其容量增加了18%，这也从侧面证明了硅这种材料的优秀克容量。可以说，荣耀开辟了电池技术发展的新赛道。

荣耀首发的硅碳负极材料电池，笔者相信在未来也会有越来越多的厂商采用类似的电池技术，来生成体积更小，容量更大的手机电池。而随着追求黑科技的下游玩家们纷纷开始装载硅碳负极，让其产业化之路越来越平坦。

在未来，其技术应该也会运用到对电量更加急需的新能源汽车之上，汽车不同于手机，对于内部空间要求相对宽松，留给硅的膨胀空间将会更加巨大，因此，其硅含量有望进一步突破。笔者相信在未来新能源汽车的电池技术也将有一次不小的进步，进一步解决新能源汽车的电量焦虑问题。虽然新能源汽车全面普及仍有许多痛点需要解决，但是最关键的电池技术能有所突破，对于新能源汽车的进一步渗透来说，绝对是最重要的一环。

关键词： 硅碳负极 荣耀 锂电池