来源：远川科技评论
作者：何律衡

今年年初$小米集团-W (01810.HK)$发布14 Ultra，介绍了一个多小时影像功能后，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，并且续航提升了17%，幕后功臣就是“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，其实是从隔壁新能源车舶来的底层技术——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”出现前，也许有必要搞清楚，硅碳电池到底是个什么技术，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

在了解硅碳电池之前，首先要理解电池续航的原理。

无论手机还是汽车，电池充电的本质是电子的“越狱”：原子核带正电，电子带负电，双方数量相当，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，产生电流。

电池的工作，可以简单理解为创造条件让电子脱离原子，流入设计好的电路中形成电流，为电子设备输送电力。决定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”，一般是金属化合物。锂元素由于常年玩忽职守，让电子更容易逃脱，成为了大部分电池的选择，也就是我们常说的“锂电池”。

负极是电子的“安全屋”：电子越狱后沿着电路前往负极，在这个过程中，会产生电流给电子设备供电；此时，发现电子越狱的锂离子会火速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，就是电子不断越狱，锂离子不断抓电子的无限循环。

电池续航的核心，一是扮演牢房的正极能够提供多少编制，容纳负责擒拿电子的锂；二是扮演安全屋的负极能够提供多少床位，收容在逃的电子。

过去几年，电池厂的技术投资多在正级材料上。可以理解为，在确定锂元素的主体地位后，选什么材料当辅警，配合锂离子抓电子。

“三元锂电池”就是正极采用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）酸锂混合，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”即正极材料为磷酸铁锂，虽然抓捕电子的能力不如三元锂电池，但胜在不需要稀有金属，便宜大碗。

过去十年，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”，能量密度不断提高，电动车的续航里程也从300km加码到700km以上。

但经过多年投资，正极材料的进步逐渐触碰了瓶颈，无法释放更多在编岗位。于是，电池厂纷纷把目光投向负极，研究安全屋的改造施工方案。

一直以来，碳元素是负极材料的主流选择，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。

面对续航提升的压力，工程师们翻开元素周期表，发现硅元素恰好位于碳的正下方，属于“同族兄弟”，意味着两者化学性质相似，都很适合做锂电子的“收容所”。

因此，所谓“硅碳电池”，就是负极材料使用硅和碳两种元素的电池，但往碳里面掺多少硅，就是一门在成本与技术的镣铐里反复横跳的艺术了。

给负极加点料

2020年8月，$特斯拉 (TSLA.US)$在官网官宣电池日时间，不甚清晰的背景图却吸引了更多注意。

媒体很快扒出，图中的那些“细线”本体是硅纳米线，是一种新型负极技术，本质是以硅取代碳作为负极材料，几年来在业内积累了不少声量。

马斯克很早就意识到，以碳为主要材料的负极，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“狂暴模式”，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，方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，硅材料“收容”锂离子的能力，是碳材料的10倍以上[3]，是替代石墨材料的不二之选。

单纯从材料看，直接用硅代替碳作为电池负极，就能带来续航的爆炸式提升。

但硅有一个致命弱点——充放电过程中体积膨胀非常严重，锂离子进入时膨胀，膨胀率最高达300%（碳的膨胀率只有16%）[4]，锂离子离开后又收缩，一膨一缩之间，材料就会破碎和粉化。在实际使用中，会导致电池衰减速度极快，充电循环次数极低。

按照国际标准，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。

特斯拉的解决办法是博采众长，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采用的松下2170电池负极，就掺了5%的硅。

材料学家们则沿着另一条路径突破——改变硅原子的呈现形态：

因为粒子越小，越不容易破碎，那么把硅材料做到几十纳米的尺寸（碳材料一般是几百纳米甚至微米），就能完美规避硅的化学弱点。这就是特斯拉2020年电池日介绍的极其激进的技术路线——“硅纳米线”。

按照特斯拉的思路，可以将硅材料的尺寸做到10nm的程度，外部以二氧化硅包覆，100%的硅材料[3]，不含一滴碳，童叟无欺。

但四年过去，“硅纳米线”依然静静地躺在马斯克的大饼军团了。可能是因为马斯克的大饼画的实在太多，以至于大家都忘了还有这一张饼。

特斯拉的技术研发思路一直是“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法则，大部分电池厂还是会选择更加“务实”的路线——在碳负极里掺点硅，这才有了硅碳电池套着五花八门的山川湖海集体出道。

只不过在新能源车的应用中，会碰到一个成本问题：一方面，现有电池技术配合快充桩，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“单位能量密度”的方法，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]，高速增长期结束，存量博弈时代开始。

此后，“堆料”成为了智能手机迭代的主线，各大手机品牌在摄像头、处理器等硬件升级上不惜血本，高端产品线作为“堆料”的集大成者，硝烟弥漫。但对手机体验影响最大的，其实是电池。

PhoneArena在2015年做的一项调查结果显示，64%的消费者最关心的手机功能改进是续航能力[6]。

相比新能源车，手机厂商对硅碳电池的追捧有一个重要原因：手机内部的空间实在太宝贵了。

过去几年，伴随三摄、面部识别等功能的普及，手机内部镜头模组和人脸识别模块的面积迅速增加，侵蚀了本就不富裕的内部空间。iPhone15 Pro的电池容量反而比iPhone 15低，就是因为多出一个摄像头，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“单位能量密度”的硅碳电池，就进入了手机厂商的视野。

2019年，小米在概念机MIX Alpha上首次采用了纳米硅电池。由于MIX Alpha的环绕屏设计过于吸引人，导致大家都没太注意纳米硅电池这个相当激进的技术方案。

两年后的小米11 Ultra，小米用硅氧化合物代替纳米硅掺入负极，把硅碳电池第一次带入量产机型。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，成本相对可控。

因为硅碳负极的贡献，小米11 Ultra进入“5000mAh俱乐部”。同时，电池模组的体积几乎不变，机身厚度也保持在8.38mm的舒适区。

从此之后，硅碳负极成为了各家高端产品线的标配。而折叠屏手机的出现，又给硅碳电池添了一把火。

屏幕是手机里最耗电的零部件，大部分“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，对电池的单位能量密度要求更高。

“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，多少就有些尴尬了。

几年前接受采访，苹果高管Greg Joswiak曾发表过“iOS+3000mAh > 5000mAh”的迷惑言论。现在去隔壁的特斯拉取取经，兴许还来得及。

参考资料

[1] 小米14 Ultra重磅发布｜专业影像旗舰，让真实有层次，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] 产品介绍，Amprius官网

[4] 克服“膨胀”，硅碳负极电池小身板有大能量，科普时报

[5] 2015年中国智能手机全年报告，Strategy Analytics

[6] Going into 2016, battery life is still the number one concern with our readers, Phone Arena

编辑/Somer