传统石墨负极电池瓶颈？硅负极新材质面临电池挑战

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能否带动电池行业迈向新的篇章？

传统石墨负极电池瓶颈

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。

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。

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。

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。
责任编辑:pj