手机电池革新！明年7000mAh有望成趋势，碳硅负极材料开始快速普及
智能手机发展至今，已经成为人类社会社会中重要一环。而支撑手机运行的关键在于电池，为了支撑当下越来越丰富的应用，以及各种硬件功能，所需要的能耗也越来越多，因此对手机电池的性能要求也越来越高。
从最初功能机，到如今的智能手机，手机电池容量在不断地加大，而续航反而极大地缩短。更丰富的使用场景，以及更短的续航之间的矛盾，迫使厂商寻找有效的解决方案，以求在日益激烈的智能手机市场中脱颖而出。
多款手机电池容量将超7000mAh
续航是如今智能手机性能中的重要一环，如何在更小的尺寸中做到更大容量电池，考验着各家厂商的技术水平。这里不单单涉及到手机设计时对内部空间利用的最大化，以及散热系统的优化，同时还要求电池材料的持续创新。
从近期发布的智能手机来看，电池容量越来越大已经成为趋势。如11月发布的红魔10 PRO搭载一块7050mAh牛魔王电池，Redmi K80则采用了一块6550mAh的小米金沙江电池，iQOO Neo10系列配备6100mAh蓝海电池。
12月，真我Neo7将搭载7000mAh的泰坦电池;小米也将推出配备7000mAh的Redmi Turbo 4 Pro以及拥有7500mAh电池的更高端产品;荣耀X70系列也正在测试7800mAh电池。
或许很多人对7000mAh的电池没有概念，举个例子，小米平板4的电池容量为6000mAh，华为MatePad Pro的电池容量为7250mAh。这意味如今的手机电池容量已经可以比肩平板电脑。
据相关博主透露，明年的中高性能手机电池都会来到6500-7000mAh左右，还包括红米、一加等，全面进入7000mAh时代，只是时间问题。
而促使手机厂商将电池容量大幅提升的主要原因，在于当前电池材料的革新。传统手机电池负极材料通常采用石墨，这一材料具备产量丰富、价格低廉、安全性高且技术成熟等优势，但石墨容纳锂离子的能力稍显不足。
而硅的理论容量远高于石墨，能达到超4200mAh/g，是石墨的近十倍。硅碳负极电池通过在负极材料中添加硅，有效提升了电池的能量密度，从而为增大电池容量开辟了新路径。例如在一家ACE 3 Pro冰川电池中的含硅量为6%，电池容量从5000mAh增加到了6100mAh，体积还减少了3%。
据行业内人士透露，由于碳和硅处在元素周期表的第ⅣA族，它们的原子最外层电子数均为4个，但硅比碳多了一层，1个硅原子可以容纳3.75个锂离子，因此加了硅之后，能量的存储密度能够提升一个数量级。
因此，如今不少厂商在进行宣传时，都以电池的含硅量作为指标来进行对比，比如宁德时代泰坦电池的含硅量达到了10%，已经达到了行业领先水平。既然添加硅后电池的性能表现优异，那为何不再多添加一些呢?
有材料行业专业人士表示，添加硅有利有弊，尽管会让电池容量大增，但硅含量过多时，电池极易发生鼓包现象，比如硅在与锂离子发生合金化反应时，体积会膨胀较大，可能达到300%甚至更高，会导致电池结构不稳定和寿命大幅缩短。为此，研究人员通过纳米化处理、碳包覆以及硅氧化物复合等方法，将硅与碳结合，形成了更为稳定的硅碳负极材料。
性能or安全？
如今，消费者对于手机续航的重视与日俱增，加上如今智能手机屏幕分辨率以及刷新率的提升、5G、AI以及高性能SoC加入，让智能手机的能耗居高不下，促使消费者优先选择大电池容量的机型。
这就给了硅碳负极电池巨大的市场机遇，在实验数据中，硅基负极材料在优化条件下，可使电池能量密度提升30%-50%甚至更多。如某款手机原电池容量4000mAh，采用含硅负极后，能量密度若提升40%，容量可超5600mAh。
当然，在实际应用中，由于硅与锂合金化反应的体积膨胀问题，虽然可以通过采用硅碳复合负极材料或其他改性手段，将硅纳米化、构建特殊结构等，却也增加工艺复杂性与成本，且会降低硅提升容量的理论效果，使实际容量提升幅度多在20%-40%之间。
显然，这也意味着，即便加入了硅碳负极材料，未来手机电池的容量也是有上限的，但仍然可以期待明年旗舰手机电池容量有望达到7000mAh的水平，让续航能力进一步提升。
当然，在性能进一步提升的同时，还需要注重安全。有电池研发工程师透露，由于电池容量持续增加，加上体积限制，就会导致内部能量密度显著提升。这会使得电池在充放电过程中产生的热量更多，传统散热技术将难以有效控制，容易引发热失控，导致危险发生。
尤其在硅碳负极电池中，一旦硅含量过高，容易导致电池膨胀，进而致使电极材料结构变形、粉化与脱落。而电极结构损坏会使电池内短路风险骤增，引发电池过热、鼓包甚至爆炸。
此外，硅材料首次充放电过程中的库仑效率相对较低，即首次充电过程中能够存储并在后续放电过程中有效利用的电量比例较低。这部分损失的电量会在首次充电时转化为热量释放，不仅降低了电池的实际可用容量，还可能引发电池发热等安全问题，影响手机的使用安全和性能。
原理上，在首次充电时大量锂嵌入硅形成不稳定SEI膜并消耗锂，造成首次充电容量损失。同时，SEI膜不断生长与修复，消耗电解液与锂资源，使电池内压升高、阻抗增大、产热加剧。尤其在高温或高倍率充放电时，热量积聚难散，加速电池老化与性能衰退，极端情况引发热失控致电池燃烧爆炸。
这就需要有相应的方案来解决这些问题，目前的方法是将硅纳米化分散于碳基体形成复合材料，利用碳的柔韧性与导电性缓冲硅体积膨胀、增强电子传输，提升结构稳定性与导电性，抑制锂枝晶生长，降低内短路风险。
不过现有的电池生产工艺与高硅含量电池材料匹配度不高，高硅材料对电极涂覆、干燥、压实等工序提出了新的要求，传统工艺参数需要进行答复调整优化。如高硅电极柔韧性与强度改变，涂覆时易出现裂纹、脱落，干燥中因应力龟裂，压实过度损伤电极结构，影响电池性能与良品率，需研发适配新工艺，突破高硅负极材料量产瓶颈，实现更高硅含量应用与电池性能提升。
如何做到安全的同时，又能极大地提升手机电池容量，将成为电池行业的长期关注点。
总结
随着碳硅负极材料的普及，至少在近几年，手机电池容量将有望得到大幅提升，有效提高消费者的使用体验。不过在电池容量提升的同时，如何保障加入硅材料后，电池依然能够拥有卓越的安全性，将成为考验各大电池厂商的关键。
