今年年头小米宣布14 Ultra，先容了一个多小时影像功效后，另一位主角“金沙江电池”姗姗来迟。
小米14 Ultra“超大杯”的相机模组比上一代整整大了20%，但整机重量轻了3g，而且续航提升了17%，幕后元勋就是“金沙江电池”[1]。
从vivo的“蓝海电池”、一加的“冰川电池”，到荣耀的“青海湖电池”、小米的“金沙江电池”，几大国产手机品牌，突然就和水杠上了。
这些名山大川背后，实在是从隔邻新能源车舶来的底层手艺——硅碳电池。
手机厂商对着中国地形图取名字之前，特斯拉自产的2170/4680电池、宁德时代的麒麟电池都应用了硅碳电池方案。
在“洞庭湖电池”、“千岛湖电池”泛起前，也许有需要搞清晰，硅碳电池到底是个什么手艺，能让新能源车和消费电子两大产业，都对其趋之若鹜。
“越狱”的电子
在领会硅碳电池之前，首先要明白电池续航的原理。
无论手机照样汽车，电池充电的本质是电子的“越狱”：原子核带正电，电子带负电，双方数目相当，原子正负电量平衡。但在一定条件下（例如施加电压、电解），电子会脱离原子，发生电流。
电池的事情，可以简朴明白为缔造条件让电子脱离原子，流入设计好的电路中形成电流，为电子装备运送电力。决议一块电池续航多寡的，是两大部件——正极和负极。
正极是“关押”电子的“牢房”，一样平常是金属化合物。锂元素由于常年玩忽职守，让电子更容易逃走，成为了大部门电池的选择，也就是我们常说的“锂电池”。
负极是电子的“平安屋”：电子越狱后沿着电路前往负极，在这个历程中，会发生电流给电子装备供电；此时，发现电子越狱的锂离子会敏捷通过电解液杀向负极，将电子擒拿归案，保持正负平衡。
电池的充电和放电，就是电子不停越狱，锂离子不停抓电子的无限循环。
电池续航的焦点，一是饰演牢房的正极能够提供若干体例，容纳认真擒拿电子的锂；二是饰演平安屋的负极能够提供若干床位，收容在逃的电子。
已往几年，电池厂的手艺投资多在正级质料上。可以明白为，在确定锂元素的主体职位后，选什么质料当辅警，配合锂离子抓电子。
“三元锂电池”就是正极接纳三种锂元素化合物的电池。例如NCM811，就是镍（N）酸锂、钴（C）酸锂、锰（M）酸锂夹杂，811代表三个元素的摩尔配比。NCM522是另一种配比。
“磷酸铁锂电池”即正极质料为磷酸铁锂，虽然抓捕电子的能力不如三元锂电池，但胜在不需要有数金属，廉价大碗。
已往十年，电池厂围绕正极，从“三元锂VS磷酸铁锂”打到“有钴VS无钴”、“低镍VS高镍”，能量密度不停提高，电动车的续航里程也从300km加码到700km以上。
但经由多年投资，正极质料的提高逐渐触碰了瓶颈，无法释放更多在编岗位。于是，电池厂纷纷把眼光投向负极，研究平安屋的刷新施工方案。
一直以来，碳元素是负极质料的主流选择，常用的石墨就是碳的旁支兄弟（同素异形体），另一个旁支兄弟我们更熟悉，就是钻石。
面临续航提升的压力，工程师们掀开元素周期表，发现硅元素正好位于碳的正下方，属于“同族兄弟”，意味着两者化学性子相似，都很适合做锂电子的“收容所”。
元素周期表上碳和硅同族
因此，所谓“硅碳电池”，就是负极质料使用硅和碳两种元素的电池，但往碳内里掺若干硅，就是一门在成本与手艺的镣铐里频频横跳的艺术了。
给负极加点料
2020年8月，特斯拉在官网官宣电池日时间，不甚清晰的靠山图却吸引了更多注重。
媒体很快扒出，图中的那些“细线”本体是硅纳米线，是一种新型负极手艺，本质是以硅取代碳作为负极质料，几年来在业内积累了不少声量。
马斯克很早就意识到，以碳为主要质料的负极，会成为阻碍能量密度升级的一道天堑。因此，特斯拉早早就打起了负极的主意。
2015年推出Model S时，特斯拉就给其中一款配备了“狞恶模式”，声称加速到100公里时速只需要2.8秒。而这款动力更强的车型，续航里程反而比其他车型提高了6%。马斯克在推特上暗戳戳炫耀，自己给电池负极加了点“佐料”——这个“佐料”就是硅。
相比碳元素，硅元素的优势在于空间更大，利便锂离子把电子一网打尽：
6个碳原子能容纳1个锂离子，而1个硅原子就能容纳4个锂离子。理论上，硅质料“收容”锂离子的能力，是碳质料的10倍以上[3]，是替换石墨质料的不二之选。
单纯从质料看，直接用硅取代碳作为电池负极，就能带来续航的爆炸式提升。
杀到BBA大本营的中国车企，多少有些水土不服
但硅有一个致命弱点——充放电历程中体积膨胀异常严重，锂离子进入时膨胀，膨胀率最高达300%（碳的膨胀率只有16%）[4]，锂离子脱离后又缩短，一膨一缩之间，质料就会破碎和粉化。在现实使用中，会导致电池衰减速率极快，充电循环次数极低。
经由多次充放电循环后的硅负极
根据国际尺度，动力电池必须要能够循环1000次以上，这就把纯硅负极的路暂时封死了。
特斯拉的解决设施是博采众长，在石墨负极中掺入少量硅，既能提高续航，又能保证循环次数。Model S接纳的松下2170电池负极，就掺了5%的硅。
质料学家们则沿着另一条路径突破——改变硅原子的出现形态：
由于粒子越小，越不容易破碎，那么把硅质料做到几十纳米的尺寸（碳质料一样平常是几百纳米甚至微米），就能*规避硅的化学弱点。这就是特斯拉2020年电池日先容的极其激进的手艺蹊径——“硅纳米线”。
根据特斯拉的思绪，可以将硅质料的尺寸做到10nm的水平，外部以二氧化硅包覆，100%的硅质料[3]，不含一滴碳，童叟无欺。
但四年已往，“硅纳米线”依然悄悄地躺在马斯克的大饼军团了。可能是由于马斯克的大饼画的着实太多，以至于人人都忘了另有这一张饼。
特斯拉的手艺研发思绪一直是“物理课本上没说不行啊”。相比砸下几十亿美元挑战物理学的规则，大部门电池厂照样会选择加倍“务实”的蹊径——在碳负极里掺点硅，这才有了硅碳电池套着五花八门的山水湖海整体出道。
只不外在新能源车的应用中，会碰着一个成本问题：一方面，现有电池手艺配合快充桩，续航基本够用；另一方面，即便要提高续航，相比硅碳负极这种提高“单元能量密度”的方式，装个更大的电池包可能是更划算的方案。
但对寸土寸金的手机来说，负极掺硅已经迫在眉睫了。
高端手机不做选择
2015年，中国智能手机出货量首次跌破10%[5]，高速增耐久竣事，存量博弈时代最先。
往后，“堆料”成为了智能手机迭代的主线，各大手机品牌在摄像头、处置器等硬件升级上不惜血本，高端产物线作为“堆料”的集大成者，硝烟弥漫。但对手机体验影响*的，实在是电池。
PhoneArena在2015年做的一项观察效果显示，64%的消费者最体贴的手机功效改善是续航能力[6]。
相比新能源车，手机厂商对硅碳电池的追捧有一个主要缘故原由：手机内部的空间着实太名贵了。
已往几年，随同三摄、面部识别等功效的普及，手机内部镜头模组和人脸识别模块的面积迅速增添，侵蚀了本就不富足的内部空间。iPhone15 Pro的电池容量反而比iPhone 15低，就是由于多出一个摄像头，让电池不得不为镜头模组的扩大而妥协。
手机无法像电动车一样，塞进更大的电池包，因此能够提高“单元能量密度”的硅碳电池，就进入了手机厂商的视野。
2019年，小米在看法机MIX Alpha上首次接纳了纳米硅电池。由于MIX Alpha的围绕屏设计过于吸引人，导致人人都没太注重纳米硅电池这个相当激进的手艺方案。
两年后的小米11 Ultra，小米用硅氧化合物取代纳米硅掺入负极，把硅碳电池*次带入量产机型。虽然硅氧化合物能量密度提升效果不如纳米硅，但胜在循环次数多，成真相对可控。
由于硅碳负极的孝顺，小米11 Ultra进入“5000mAh俱乐部”。同时，电池模组的体积险些稳固，机身厚度也保持在8.38mm的恬静区。
往后之后，硅碳负极成为了各家高端产物线的标配。而折叠屏手机的泛起，又给硅碳电池添了一把火。
屏幕是手机里最耗电的零部件，大部门“大折叠”手机，本质上把屏幕面积扩大了三倍，成为实打实的“吞电兽”。三星Z Fold 3就被吐槽“睡前满格、起床3%”；另一方面，由于“折叠”的形态，整机对于轻薄的要求更高，对电池的单元能量密度要求更高。
“极限堆料”的高端手机，加上“既要又要”的折叠屏，把手机续航带到了6000mAh的新高度。相比之下，容量只有3349mAh的iPhone 15，若干就有些尴尬了。
几年前接受采访，苹果高管Greg Joswiak曾揭晓过“iOS 3000mAh > 5000mAh”的疑惑言论。现在去隔邻的特斯拉取取经，兴许还来得及。
参考资料
[1] 小米14 Ultra重磅宣布｜专业影像旗舰，让真实有条理，雷军
[2] 特斯拉剧透的硅纳米线电池负极材，有何看点？华宝证券
[3] 产物先容，Amprius官网
[4] 战胜“膨胀”，硅碳负极电池小身板有大能量，科普时报
[5] 2015年中国智能手机整年讲述，Strategy Analytics
[6] Going into 2016, battery life is still the number one concern with our readers, Phone Arena
