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而默默無聞地為那麽多高科技元件提供運行動力的電池,卻難以突破自身的邊界,能量密度也難以提高。人們另辟蹊徑,提高充電功率,縮短電池充電時間,只能緩解容量不足的尷尬,無法解決容量密度低的根本問題。
石墨負極的鋰電池使用多年,經過多年的發展,容量已經到了瓶頸。為了獲得更長的續航時間,只能通過簡單粗暴的“增大電池尺寸”來改善。如今追求輕、薄、手感的旗艦機中電池成為木桶中最大的短板。
誰能站出來?
2021年3月29日-30日,小米舉行了兩場春季新品發布會,包括小米11 Pro、小米11 Ultra、小米折疊屏手機等。小米在全球推出矽氧負極電池,並在小米165438上成功量產。
電池原理
電池主要由三部分組成:正極、負極和隔膜。它們通過卷繞和堆疊組裝,填充電解液並密封在鋼殼或軟包裝中,成為普通電池。電動車壹般用鋼殼電池,數碼產品壹般用軟包裝。
充電過程中,通過極耳向電池內部施加外部電壓,正極鋰離子釋放電子,電子在電場的作用下通過電解液中的隔膜向負極遷移,嵌入負極的石墨活性材料中,電子被接收,完成充電和儲能過程。當外部負載需要放電時,鋰離子從負極釋放電子並脫嵌,通過隔膜遷移到正極,嵌入正極,電子被正極活性物質接收,從而完成電能釋放。
傳統石墨陽極電池的瓶頸
鋰電池的正極材料有很多不同的配方,如鈷酸鋰、鎳鈷錳、鎳鈷鋁等,這裏暫時不討論正極。負極材料壹般采用石墨配方,容易獲得,價格低廉,性能良好,所以幾十年來壹直將石墨負極作為電池負極的主要材料。
反復循環後,石墨負極電池結構開始不穩定,部分鋰離子無法嵌入負極,只能停留在負極表面,逐漸積累產生鋰沈澱。可利用的和遷移的鋰離子變得越來越少,容量迅速下降。嚴重時,鋰析出會變成鋰枝晶,刺破隔膜,導致電池短路、漏液甚至爆炸。容量方面,傳統石墨陽極鋰電池的能量密度理論上限約為372 mAh/g,目前技術已接近理論值,難以突破。尋求新的材料配方勢在必行。
小米每壹代旗艦電池的發展
歷代小米旗艦系列手機電池容量的發展,從上面的柱狀圖可以看出,小米旗艦機型的電池容量基本上是隨著時間的推移逐漸增大的,但是在達到4000mAh之後,容量增長開始放緩,最高的是小米10的4780mAh。提高容量密度的主要途徑是增加電池體積,說明傳統石墨陽極電池的能量密度已經到了瓶頸。
小米歷代旗艦手機的快充發展可以看出,小米9前面的18W快充保持了很長時間。小米5發布於2015,小米8發布於2018,充滿電用了三年。小米快充在2019的小米9及以後的機型上有了明顯的提升。也可以看出小米開始在快充技術上發力。功率最高的是小米10極速紀念版,搭載石墨烯基蝶形電池,功率達到120W,性能提升被能量密度延緩。
矽負極新材料電池的挑戰
將矽材料應用於電池的負電極需要面對幾個問題。第壹,鋰離子充電時矽顆粒會膨脹,最大膨脹可達四倍,導致結構坍塌,電極材料脫落。第二,矽本身就是半導體材料。與常用的石墨負極相比,導電性差很多,鋰離子脫嵌不可逆,也影響電池容量。
2019特斯拉介紹,特斯拉將研發壹種矽陽極電池,通過在矽原料上塗覆壹層特殊的塗層來穩定矽結構,避免充電膨脹造成的結構損傷。在新能源汽車的成本比例中,電池組占了非常高的比例。特斯拉使用矽陽極電池主要用於大幅降低成本和增加產能,快速搶占新能源汽車市場。小米將矽負極電池應用於數碼配件,還需要解決矽膨脹的物理特性,才能量產。
小米首發矽氧負極電池
小米11 Ultra並不是第壹款使用矽負極電池的小米手機。早在2019年9月,小米概念機MIX Alpha就采用了納米矽碳負極電池,並在4050mAh容量的電池上實現了40W有線閃充。雖然MIX Alpha只是壹個還沒有量產的技術驗證機型,但是也可以看出小米在2019甚至更早的時候就已經開始探索新的電池負極材料了。
與第壹代矽碳負極相比,這次小米11 Ultra采用了更加成熟穩定的矽氧負極電池,屬於小米第二代矽負極電池技術。通過摻雜矽來補充鋰,將納米氧化矽用於負極,與第壹代矽碳材料相比,具有更穩定的結構。矽氧負極可以有效避免充放電過程中矽顆粒膨脹導致的開裂和粉化,解決矽負極電池的使用壽命問題,讓這種新材料電池不僅僅停留在概念上,更要進入實際量產,造福消費者。
狹窄空間中的容量提高
目前旗艦機型的電池容量壹般在4000-4500之間,但入門級產品經常看到5000以上的超大電池。為什麽旗艦機型的電池容量沒有入門級機器大?因為入門級機型的攝像頭模塊占用空間少,處理器性能釋放溫和,不需要投入大規模的散熱處理,入門級用戶對外觀和手感設計也沒有太多追求,所以入門級機器相對有更多的空間放入大電池。
旗艦機型不壹樣。有看過拆解的朋友會知道,旗艦機型在性能方面壹般都是備貨充足的。圖像部分的攝像頭模塊占用了巨大的空間,主板被擠到只有壹點空間。強大的處理器還得放在蒸汽室、熱管、石墨導熱膏等散熱模塊裏,還得給無線充電線圈預留空間,旗艦機型電池沒法放大。
傳統石墨負極材料制成的鋰電池能量密度理論上限為372mAh/g,但目前工藝已接近理論值,難以突破。矽負極材料的能量密度上限高達4200mAh/g,是傳統石墨負極材料的10倍,在同樣的空間內可以放入更多的容量。
小米11 Ultra內部結構為傳統三段式設計,機身厚度僅為8.38mm,電池倉空間也沒有特別增加。在這麽小的空間裏放壹塊5000mAh的大容量電池,說明矽氧負極電池確實可以提高能量密度。雖然矽陽極電池的能量密度是石墨電池的十倍,但小米11 Ultra作為首款搭載矽氧陽極電池的量產數碼產品,並沒有充分發揮矽氧陽極電池的強度,而是做了非常謹慎的處理。相信在更多產品搭載矽氧陽極電池後,小米會進壹步提高能量密度。
67W高功率快速充電
電池、壽命、容量、性能三大謎題。在解決了壽命穩定性和提升容量的問題之後,最後壹個難題就是性能:快充。如前所述,電池由卷繞和堆疊制成,極耳連接到外部。凸耳就像壹條路。傳統電池采用雙向單車道設計,所有車輛都在這條路上通行。速度被限制在壹條車道上,只能低效前進。即使汽車加速,也會造成不穩定。簡單來說,傳統的電池吊耳只能慢慢充電,大電流會發熱,很難提高充電功率。
小米11 Ultra電池采用MTW多極耳技術。多達20個極耳就像對面的10車道,大大增加了通行效率,大大降低了內阻,可以支持大電流充電,降低溫升。
小米11 Ultra充電器的型號為MDY-12-ES,輸出功率為67W。是小米私人快充系統中常見的魔變A口PD充電器,支持5v 3a/9V3a/11v 6.1A/20v 3.25 A。
小米11 Ultra采用ATL單電池結構,有線充電部分采用2: 1電荷泵充電技術,通過電壓減半,電流翻倍的方式直接充電。按照電池電壓4.45V計算,實際充電器輸出為8.9V6.1A,電池端直接充電功率將達到4.45V12.2A,根據官方數據,小米11 Ultra僅需36分鐘即可充滿100%,無論是充滿還是碎片都非常快。
計費前端網絡綜述
石墨負極電池技術已經達到瓶頸,能量密度難以提高。只能通過增加體積來增加容量,這就限制了所有電氣設備的設計、使用和體驗。比如手機,要麽薄而輕,失去大容量電池,要麽做得像磚頭壹樣厚,提高續航。
小米成功攻克新材料電池技術,全球首款矽氧負極電池。納米矽氧負極材料保證其結構穩定,使用壽命長。隨著能量密度的提升,小米11 Ultra可以在8.38mm的機身厚度內裝入容量高達5000mAh的大電池,MTW 20 tab技術讓其支持67W電荷泵的高壓直充。這意味著小米掌握了手機鋰電池的核心技術,補上了木桶的最大短板,並將帶動整個行業全面進入新材料電池的研發。
小米在春季新品發布會上宣布進軍新能源汽車領域。擁有矽氧負極電池的技術儲備將成為小米的殺手鐧,因為電池組是新能源汽車成本的大頭,矽負極電池容量大、成本低、性能高,完美契合新能源汽車行業。相信小米矽負極電池會顛覆現有的新能源汽車格局,改變整個生態。
本文論述了小米在新材料電池領域的突破。下篇將繼續討論小米在無線充電方面的黑科技,以及如何實現67W無線充電的商業量產。