自從智能手機(jī)的屏幕越來(lái)越大之后，續(xù)航好像就一直沒好過(guò)，功能機(jī)時(shí)代那種好幾天充一次電的體驗(yàn)一去不復(fù)返。
話又說(shuō)回來(lái)，以前的功能機(jī)屏幕使用時(shí)間才多長(zhǎng)，一天有1小時(shí)嗎？而現(xiàn)在的智能手機(jī)，功能那么多，屏幕那么大，還要一直保持在線，屏幕使用時(shí)間起碼都有五六個(gè)小時(shí)吧，一天一充好像已經(jīng)很厲害了！
如果你有用過(guò)近一年發(fā)布的國(guó)產(chǎn)旗艦機(jī)型，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的續(xù)航有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，基本都可以做到兩天一充。短短十幾年間，手機(jī)電池如何發(fā)展到現(xiàn)在的水平？近一年來(lái)廠商們相繼推出的青海湖電池、藍(lán)海電池、金沙江電池等技術(shù)又是什么？為何時(shí)間節(jié)點(diǎn)如此接近？
從鎳到鋰的飛躍
新生代的手機(jī)用戶可能沒聽說(shuō)過(guò)“電池沒用完就充電，會(huì)讓電池容量變小”這種神奇的理論，而這正是早期手機(jī)所使用的鎳鎘電池的一大缺點(diǎn)——記憶效應(yīng)。后來(lái)就出現(xiàn)了鎳氫電池，記憶效應(yīng)得到了明顯改善。
直到千禧年前后，鋰離子電池的材料和制造技術(shù)經(jīng)歷了重大的革新，成本大幅下降，能量密度提高，且解決了電池記憶效應(yīng)的問(wèn)題。這些改進(jìn)使得鋰離子電池迅速成為手機(jī)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)選擇，整個(gè)行業(yè)也正式進(jìn)入了鋰電時(shí)代。
傳統(tǒng)的鋰電由于使用了液態(tài)電解質(zhì)，限制了電池的形狀和大小。因?yàn)楸仨毚_保電解質(zhì)在電池內(nèi)部保持穩(wěn)定，同時(shí)還要防止泄漏和腐蝕，所以通常會(huì)采用硬質(zhì)的外殼，從而限制了電池的形狀設(shè)計(jì)。此外，液態(tài)電解質(zhì)在高溫或過(guò)充的情況下可能會(huì)膨脹或燃燒。
后來(lái)便進(jìn)化出現(xiàn)在業(yè)內(nèi)廣泛采用的鋰聚合物電池，采用的是膠狀或者固態(tài)電解質(zhì)，采用鋁膜包裝，體積和形狀更加自由，可以靈活適應(yīng)內(nèi)部空間越來(lái)越緊湊的電子產(chǎn)品。而且電池的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性也更好，從而減少安全風(fēng)險(xiǎn)。
手機(jī)電池技術(shù)發(fā)展到鋰聚合物之后，很長(zhǎng)一段時(shí)間都再?zèng)]有大幅升級(jí)，因?yàn)殇囯娭惺?fù)極的局限性逐漸顯現(xiàn)。
石墨負(fù)極的理論比容量限制在372mAh/g，且鋰離子的擴(kuò)散速率較低，這些因素都限制了電池能量密度的提升和快速充電能力。
除了材料本身的性能缺點(diǎn)，天然石墨作為一種不可再生資源，也面臨著很多問(wèn)題。
據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的數(shù)據(jù)，2020年全球石墨儲(chǔ)量約為3億噸，按照目前的開采速度，預(yù)計(jì)到2050年全球石墨資源將耗盡。同時(shí)，天然石墨作為一種自然資源，與天然氣、石油等一樣也會(huì)受到地緣因素的影響，供給并不穩(wěn)定。
人造石墨在一定程度上可以避免天然石墨所帶來(lái)的問(wèn)題，但人造石墨生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗大量能源，并且產(chǎn)生大量廢水，如果不妥善處理，會(huì)造成嚴(yán)重的土壤和水源污染，與被稱為“環(huán)保”的“新能源”背道而馳。
還有商業(yè)中重要的影響因素：利益。以目前的生產(chǎn)工藝來(lái)說(shuō)，同樣純度的人造石墨要比天然石墨貴20-30%。而隨著天然石墨資源越來(lái)越少，天然石墨的價(jià)格也會(huì)越來(lái)越貴。
因此，尋找石墨的替代材料成為了鋰電行業(yè)重要的發(fā)展方向之一。
鋰電的次世代：硅碳負(fù)極
無(wú)論是青海湖電池、藍(lán)海電池還是金沙江電池，它們?cè)谛麄髦卸疾患s而同地提到了“硅碳負(fù)極”，這也是解決目前電池難題的關(guān)鍵技術(shù)。
上文提到石墨作為負(fù)極材料的缺點(diǎn)，那么有沒有其他材料可以代替它呢，有，那就是硅。
硅作為負(fù)極材料，具有高達(dá)4200mAh/g的理論比容量，幾乎是石墨的11倍。這意味著，使用硅負(fù)極的鋰電池在理論上可以大幅提升能量密度，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命和減少充電次數(shù)。
然而，硅材料在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生高達(dá)300%的體積膨脹，這種顯著的體積變化會(huì)導(dǎo)致電極材料的破裂，從而降低電池的循環(huán)壽命。
為了克服這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們開發(fā)了硅碳復(fù)合材料。通過(guò)將納米硅顆粒與碳材料結(jié)合，可以利用碳材料的穩(wěn)定性來(lái)抑制硅的體積膨脹，并通過(guò)碳的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高整體的電導(dǎo)率。
盡管硅碳負(fù)極技術(shù)在提升電池性能方面具有巨大潛力，但其工藝難點(diǎn)仍然存在。硅碳負(fù)極的制備需要精確控制材料的納米結(jié)構(gòu)，以及確保硅和碳的均勻分布。此外，電池制造過(guò)程中的首次效率和循環(huán)穩(wěn)定性也是需要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
Group14與ATL
其實(shí)早在上世紀(jì)70年代，硅碳負(fù)極電池技術(shù)就已經(jīng)通過(guò)了可行性驗(yàn)證，為何直到近一年我們才看到大量消費(fèi)終端采用呢？
這就不得不提到2個(gè)公司，一個(gè)是我們熟知的ATL（新能源），也就是寧德新能源和東莞新能德的母公司，另一個(gè)則是初創(chuàng)公司Group14。
2023年2月28日，Group14正式宣布已向ATL供應(yīng)SCC55材料，為下一代智能手機(jī)等3C產(chǎn)品提供動(dòng)力，并表示很快就有使用SCC55電池材料的手機(jī)面世。
在一周后的3月6日，榮耀就發(fā)布了全球首款搭載硅碳負(fù)極電池技術(shù)的智能手機(jī)——Magic5系列，行業(yè)媒體TechInsights也證實(shí)該技術(shù)的實(shí)施由Group14的電池材料產(chǎn)品SCC55主導(dǎo)。
在知名拆機(jī)Up主微機(jī)分的視頻中我們也可以看到，無(wú)論是青海湖電池、藍(lán)海電池還是金沙江電池，它們都由新能德公司生產(chǎn)，并且采用ATL電芯。我們基本可以以此猜測(cè)它們所采用的硅碳負(fù)極技術(shù)都使用了Group14的SCC55材料。
為什么一定是Group14的SCC55？因?yàn)槟壳澳艽笠?guī)模量產(chǎn)硅碳負(fù)極材料的公司并不多，而Group14是其中份額大的。
明日之星：SCC55
在正式介紹SCC55之前，我們先來(lái)簡(jiǎn)單了解一下Group14是個(gè)怎樣的公司。
硅在元素周期表中的排第14位，這就是Group14中“14”的來(lái)源。這家公司成立于2015年，致力于將鋰離子電池轉(zhuǎn)化為鋰硅負(fù)極電池，幫助解決能源存儲(chǔ)難題，先后獲得ATL、SK Materials、保時(shí)捷等公司的投資，累計(jì)金額超過(guò)6億美元，是鋰電行業(yè)炙手可熱的明日之星。
硅碳負(fù)極作為一種新興技術(shù)，國(guó)內(nèi)外有不少公司都在攻關(guān)，融資也拿了不少，甚至還有不少在“PPT”上都放出了非常驚人的參數(shù)。但是很多仍然停留在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)甚至理論狀態(tài)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到量產(chǎn)要求。
而Group14幾乎是早實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的，在應(yīng)用方面也有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
SCC55的獨(dú)特之處在于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該材料由嵌入碳支架中的硅納米顆粒組成。這種結(jié)構(gòu)允許硅顆粒與電解質(zhì)充分接觸，從而提高電池的充放電效率。此外，碳支架還提供了機(jī)械支撐，防止硅顆粒在充放電過(guò)程中膨脹和收縮。
因此，SCC55硅負(fù)極電池的能量密度比傳統(tǒng)鋰離子電池高出50%，并且充電速度更快，理論上只需要幾分鐘。
SCC55材料投產(chǎn)起來(lái)也很方便，從紐扣電池到軟包電池，制造商可將SCC55無(wú)縫投放到任何鋰離子電池生產(chǎn)線、超級(jí)工廠或電池設(shè)計(jì)中，而無(wú)需重新調(diào)整工藝。
比起概念，規(guī)模化量產(chǎn)才是盈利的根本。
Group14的兩步工藝使規(guī)模化變得簡(jiǎn)單，首先合成碳來(lái)創(chuàng)建碳支架，然后在支架內(nèi)部創(chuàng)建硅并調(diào)整內(nèi)部空隙，終形成神奇的SCC55。而具體的工藝細(xì)節(jié)，早已被Group14申請(qǐng)了全球?qū)＠蔀槠渖虡I(yè)帝國(guó)的基石。
Group14還設(shè)計(jì)了一種可輕松復(fù)制的流程，可以在需要的地方建造各種規(guī)模的工廠（BAM 工廠）。每個(gè)模塊都自成一體，每年可生產(chǎn)材料達(dá)10GWh。還可以根據(jù)需要將任意數(shù)量模塊組合在一起，形成任意規(guī)模的BAM工廠。
產(chǎn)能方面，Group14位于美國(guó)華盛頓州伍丁維爾的 BAM-1工廠目前為超過(guò)65家客戶供貨，這些客戶占全球電池生產(chǎn)市場(chǎng)的95%，另外也正在亞洲、歐洲等地區(qū)部署B(yǎng)AM工廠。可以確定的是BAM-1工廠的產(chǎn)量已超過(guò)10GWh，大約可以滿足10-20萬(wàn)輛電動(dòng)車使用。
如果投產(chǎn)順利，位于華盛頓的BAM-2工廠產(chǎn)能將會(huì)達(dá)到BAM-1的2倍，將在2024年成為全球大的先進(jìn)硅負(fù)極電池技術(shù)工廠。
寫在后
機(jī)圈里常有人調(diào)侃：不都是供應(yīng)鏈技術(shù)，講什么自研。 我們從結(jié)果上來(lái)看，這幾家的硅碳負(fù)極電芯都是來(lái)自ATL，而且大概率就是采用的SCC55材料，好像確實(shí)這么一回事。
但其實(shí)，供應(yīng)鏈與廠商之間的交流并不是單向的，很多材料、技術(shù)的應(yīng)用往往是雙方共同努力的結(jié)果。類比一下，供應(yīng)鏈技術(shù)就像食材，終的出品還是要看大廚的料理手法和調(diào)味。
就拿本文所討論的續(xù)航來(lái)說(shuō)，硅碳負(fù)極電池的量產(chǎn)應(yīng)用是關(guān)鍵。硅碳負(fù)極的理論能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)石墨負(fù)極，能夠大幅提升電池續(xù)航。而Group14的SCC55材料則是目前具代表性的硅碳負(fù)極材料之一，擁有優(yōu)異的性能和量產(chǎn)能力。
同時(shí)各家手機(jī)廠商在電池封裝工藝、電源管理、系統(tǒng)調(diào)度等方面也進(jìn)行了優(yōu)化，終才讓消費(fèi)者拿到手的手機(jī)有了出色的續(xù)航水平。
至于本文標(biāo)題提到的那個(gè)問(wèn)題，每個(gè)人都可以有自己的理解。
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