近幾年，隨著鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，高端新能源汽車的續(xù)航焦慮得到了有效解決。其中，硅基負極材料發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。應(yīng)用這種技術(shù)的電池不僅實現(xiàn)了更高的容量，而且體積更小，因此成為了眾多新能源汽車的首選。
自2021年開始，多家新能源汽車企業(yè)如特斯拉、蔚來和寧德時代等紛紛開始布局硅基負極電池領(lǐng)域。如今，硅基負極材料在智能手機領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸受到關(guān)注。
在2021年3月29日，小米11 Pro成為首款搭載5000mAh硅氧負極電池的智能手機；2022年4月28日，華為在Mate Xs 2折疊屏手機上采用了4880mAh的高硅負極電池，這一技術(shù)雖然并非行業(yè)慣用名詞，但根據(jù)華為的描述，它屬于硅基負極電池的一種。
圖片來源：小米官網(wǎng)
到了2023年3月6日，榮耀Magic 5 Pro發(fā)布，搭載了5450mAh的青海湖電池，榮耀表示這是首款將硅碳負極電池技術(shù)商用的智能手機產(chǎn)品。而在2023年11月13日發(fā)布的vivo X100 Pro所采用的藍海電池，據(jù)傳是由vivo和寧德新能源共同開發(fā)，采用了碳元重組、激光刻蝕、極片重塑等技術(shù)，容量達到了5400mAh。
據(jù)在智能手機大廠工作的李明透露，隨著硅碳負極電池技術(shù)的加速普及，預(yù)計在2024年將有一大批容量高達6000mAh的智能手機上市。考慮到今年高通和聯(lián)發(fā)科的SoC功耗表現(xiàn)都相當出色，這意味著智能手機用戶或許從此可以徹底擺脫困擾多年的續(xù)航焦慮。
技術(shù)的改進，細節(jié)的博弈
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早在1990年，索尼公司就發(fā)明了第一塊鋰電池，這一基本架構(gòu)至今仍在使用。鋰電池由正極(Positive electrode)、負極(Negative electrode)、電解液(electrolyte)和隔膜(Separator)四個部分組成。
根據(jù)正極材料的不同，鋰電池可以分為磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池和三元電池等類型。長期以來，鋰電池的負極主要采用天然石墨或人造石墨。
其中，電池的能量密度，也就是電池容量與體積的比值，由正極和負極的材料共同決定。目前，天然石墨負極的實際克容量大約在360-370mAh/g，人造石墨負極的實際克容量大約在340-360mAh/g。而硅負極的理論克容量可達4200mAh/g，遠遠超過了石墨材料。
但實際上，由于硅負極在充放電過程中會發(fā)生體積膨脹，特別是當硅與鋰反應(yīng)時，體積膨脹可以達到300%，這在電池領(lǐng)域是無法接受的。因此，實際應(yīng)用的電池負極通常采用10%左右含量的硅和碳的復(fù)合材料組成硅碳負極材料，其實際克容量大約在450-600mAh/g之間，約為傳統(tǒng)石墨負極的1.3倍。
關(guān)于硅碳復(fù)合材料的具體形式，有多種技術(shù)和工藝路徑，包括納米化、改性、包覆等。這些技術(shù)的核心在于增加鋰離子嵌入活性位點和擴散通道的數(shù)量，使膨脹后的硅不會導(dǎo)致整體電池的膨脹變形。
這樣，硅基負極在保持較高克容量的同時，也能滿足快充所需的倍率性能的要求。展望未來，隨著技術(shù)的不斷進步，硅在硅碳負極電池中的含量有望進一步提高，從而不斷提升電池的實際克容量。
目前來看，硅碳負極材料存在兩大缺點：一是壽命短，天然石墨負極循環(huán)壽命通常小于1000次，人造石墨負極循環(huán)壽命超過3000次，而硅碳負極材料只有300-500次；二是價格高，常見的石墨負極價格大約是150元每100g，而硅碳負極價格可以高達大幾百元每100g。
不過，從技術(shù)角度來看，使用壽命不長的問題并不能阻止硅基負極電池的普及。
西南科技大學(xué)副教授萬琦告訴鈦媒體App，此前硅基負極電池的壽命表現(xiàn)較差，因此硅基負極在新能源汽車領(lǐng)域推廣應(yīng)用并不順利。但對智能手機產(chǎn)業(yè)而言，由于本身的換機周期更短，更換電池更容易也更便宜，因此對于電池循環(huán)壽命要求相對寬松，掃清了硅基負極電池在智能手機領(lǐng)域普及的障礙。
大時代下的必然
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剛剛過去的2023年，對智能手機產(chǎn)業(yè)來說，是自誕生以來最具挑戰(zhàn)性的一年。
根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)報告，盡管2023年第四季度中國智能手機出貨量結(jié)束了連續(xù)10個季度的下滑趨勢，但全年的出貨量同比下降了5.0%，降至2.71億臺，創(chuàng)近10年來新低。
面對如此激烈的市場競爭，影像技術(shù)成為智能手機廠商的必爭之地。盡管過去被認為是“費力不討好”，且用戶感知度低、教育成本高，但華為、榮耀、OPPO、vivo、小米等品牌在算法、影調(diào)和主攝長焦領(lǐng)域都展現(xiàn)出了各自的實力。
但是，在面對能夠一個全新的、能被用戶感知、且能夠通過數(shù)字直接傳達的新技術(shù)時，智能手機廠商似乎沒有理由因為較高的成本拒絕硅基負極電池。
華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究報告指出，隨著我國鋰電池產(chǎn)量的不斷增長，對負極材料的需求也在持續(xù)增加。2016年，我國負極材料出貨量達到11.8萬噸，而到了2022年，這一數(shù)字增長至137萬噸，期間年均復(fù)合增長率高達50.5%。
從市場份額的角度看，2022年前六大負極材料供應(yīng)商分別為貝特瑞（26%）、上海杉杉（16%）、江西紫宸（璞泰來，11%）、中科星城（9%）、廣東凱金（9%）以及尚太科技（8%），合計占據(jù)了79%的市場份額，顯示出市場集中度較高。
在2000年以前，日本是全球主要的負極材料供應(yīng)國，占據(jù)了超過95%的市場份額。然而，如今中國已經(jīng)成為全球負極材料供應(yīng)的主要國家，其供應(yīng)量占比超過80%，并且這一比例仍在持續(xù)增長。
從宏觀角度來看，中國的新能源戰(zhàn)略推動了鋰電池的國產(chǎn)化進程。在這個過程中，負極材料的創(chuàng)新突破首先應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。隨著產(chǎn)業(yè)成熟和技術(shù)進步，這一技術(shù)的應(yīng)用逐漸普及到智能手機領(lǐng)域。
西南科技大學(xué)副教授萬琦對鈦媒體App表示，貝特瑞在硅基負極領(lǐng)域一度具有較大程度的領(lǐng)先，其售價曾高達35萬元每噸。然而，隨著競爭對手的加入和技術(shù)不斷成熟，市場價格逐漸下降。目前，市場普遍的均價約在10-20萬每噸。
目前來看，硅基負極電池技術(shù)正在進入高速發(fā)展期，智能手機雖然仍處于低谷期，但每年約12億出貨量的產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍具有足夠大的體量。隨著技術(shù)的普及、均價的降低，每個人的手機都有6000mAh的大電池，每天只需要充一次電的日子，應(yīng)該不遠了。（本文首發(fā)鈦媒體App 作者/吳泓磊 編輯/鐘毅，文中李明為化名）
