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是供应链技术还是自研 国产手机续航暴涨背后的秘密

2024-05-29 09:59 来源:快科技     

  5月29日,自从智能手机的屏幕越来越大之后,续航好像就一直没好过,功能机时代那种好几天充一次电的体验一去不复返。

  话又说回来,以前的功能机屏幕使用时间才多长,一天有1小时吗?而现在的智能手机,功能那么多,屏幕那么大,还要一直保持在线,屏幕使用时间起码都有五六个小时吧,一天一充好像已经很厉害了!

  如果你有用过最近一年发布的国产旗舰机型,你就会发现它们的续航有了长足的进步,基本都可以做到两天一充。短短十几年间,手机电池如何发展到现在的水平?近一年来厂商们相继推出的青海湖电池、蓝海电池、金沙江电池等技术又是什么?为何时间节点如此接近?

  从镍到锂的飞跃

  新生代的手机用户可能没听说过“电池没用完就充电,会让电池容量变小”这种神奇的理论,而这正是早期手机所使用的镍镉电池的一大缺点——记忆效应。后来就出现了镍氢电池,记忆效应得到了明显改善。

  直到千禧年前后,锂离子电池的材料和制造技术经历了重大的革新,成本大幅下降,能量密度提高,且解决了电池记忆效应的问题。这些改进使得锂离子电池迅速成为手机行业的标准选择,整个行业也正式进入了锂电时代。

  传统的锂电由于使用了液态电解质,限制了电池的形状和大小。因为必须确保电解质在电池内部保持稳定,同时还要防止泄漏和腐蚀,所以通常会采用硬质的外壳,从而限制了电池的形状设计。此外,液态电解质在高温或过充的情况下可能会膨胀或燃烧。

  后来便进化出现在业内广泛采用的锂聚合物电池,采用的是胶状或者固态电解质,采用铝膜包装,体积和形状更加自由,可以灵活适应内部空间越来越紧凑的电子产品。而且电池的热稳定性和机械稳定性也更好,从而减少安全风险。

  手机电池技术发展到锂聚合物之后,很长一段时间都再没有大幅升级,因为锂电中石墨负极的局限性逐渐显现。

  石墨负极的理论比容量限制在372mAh/g,且锂离子的扩散速率较低,这些因素都限制了电池能量密度的提升和快速充电能力。

  除了材料本身的性能缺点,天然石墨作为一种不可再生资源,也面临着很多问题。

  据美国地质调查局(USGS)的数据,2020年全球石墨储量约为3亿吨,按照目前的开采速度,预计到2050年全球石墨资源将耗尽。同时,天然石墨作为一种自然资源,与天然气、石油等一样也会受到地缘因素的影响,供给并不稳定。

  人造石墨在一定程度上可以避免天然石墨所带来的问题,但人造石墨生产过程中需要消耗大量能源,并且产生大量废水,如果不妥善处理,会造成严重的土壤和水源污染,与被称为“环保”的“新能源”背道而驰。

  还有商业中最重要的影响因素:利益。以目前的生产工艺来说,同样纯度的人造石墨要比天然石墨贵20-30%。而随着天然石墨资源越来越少,天然石墨的价格也会越来越贵。

  因此,寻找石墨的替代材料成为了锂电行业最重要的发展方向之一。

是供应链技术还是自研 国产手机续航暴涨背后的秘密

  锂电的次世代:硅碳负极

  无论是青海湖电池、蓝海电池还是金沙江电池,它们在宣传中都不约而同地提到了“硅碳负极”,这也是解决目前电池难题的关键技术。

  上文提到石墨作为负极材料的缺点,那么有没有其他材料可以代替它呢,有,那就是硅。

  硅作为负极材料,具有高达4200mAh/g的理论比容量,几乎是石墨的11倍。这意味着,使用硅负极的锂电池在理论上可以大幅提升能量密度,从而延长电池的使用寿命和减少充电次数。

  然而,硅材料在充放电过程中会发生高达300%的体积膨胀,这种显著的体积变化会导致电极材料的破裂,从而降低电池的循环寿命。

  为了克服这一挑战,科学家们开发了硅碳复合材料。通过将纳米硅颗粒与碳材料结合,可以利用碳材料的稳定性来抑制硅的体积膨胀,并通过碳的导电网络来提高整体的电导率。

  尽管硅碳负极技术在提升电池性能方面具有巨大潜力,但其工艺难点仍然存在。硅碳负极的制备需要精确控制材料的纳米结构,以及确保硅和碳的均匀分布。此外,电池制造过程中的首次效率和循环稳定性也是需要克服的关键挑战。

  Group14与ATL

  其实早在上世纪70年代,硅碳负极电池技术就已经通过了可行性验证,为何直到近一年我们才看到大量消费终端采用呢?

  这就不得不提到2个公司,一个是我们熟知的ATL(新能源),也就是宁德新能源和东莞新能德的母公司,另一个则是初创公司Group14。

  2023年2月28日,Group14正式宣布已向ATL供应SCC55材料,为下一代智能手机等3C产品提供动力,并表示很快就有使用SCC55电池材料的手机面世。

  在一周后的3月6日,荣耀就发布了全球首款搭载硅碳负极电池技术的智能手机——Magic5系列,行业媒体TechInsights也证实该技术的实施由Group14的电池材料产品SCC55主导。

  在知名拆机Up主微机分的视频中我们也可以看到,无论是青海湖电池、蓝海电池还是金沙江电池,它们都由新能德公司生产,并且采用ATL电芯。我们基本可以以此猜测它们所采用的硅碳负极技术都使用了Group14的SCC55材料。

  为什么一定是Group14的SCC55?因为目前能大规模量产硅碳负极材料的公司并不多,而Group14是其中份额最大的。

  明日之星:SCC55

  在正式介绍SCC55之前,我们先来简单了解一下Group14是个怎样的公司。

  硅在元素周期表中的排第14位,这就是Group14中“14”的来源。这家公司成立于2015年,致力于将锂离子电池转化为锂硅负极电池,帮助解决能源存储难题,先后获得ATL、SK Materials、保时捷等公司的投资,累计金额超过6亿美元,是锂电行业炙手可热的明日之星。

  硅碳负极作为一种新兴技术,国内外有不少公司都在攻关,融资也拿了不少,甚至还有不少在“PPT”上都放出了非常惊人的参数。但是很多仍然停留在实验室状态甚至理论状态,远远未能达到量产要求。

  而Group14几乎是最早实现大规模量产的,在应用方面也有着无可比拟的优势。

  SCC55的独特之处在于其结构设计。该材料由嵌入碳支架中的硅纳米颗粒组成。这种结构允许硅颗粒与电解质充分接触,从而提高电池的充放电效率。此外,碳支架还提供了机械支撑,防止硅颗粒在充放电过程中膨胀和收缩。

  因此,SCC55硅负极电池的能量密度比传统锂离子电池高出50%,并且充电速度更快,理论上只需要几分钟。

  SCC55材料投产起来也很方便,从纽扣电池到软包电池,制造商可将SCC55无缝投放到任何锂离子电池生产线、超级工厂或电池设计中,而无需重新调整工艺。

  比起概念,规模化量产才是盈利的根本。

  Group14的两步工艺使规模化变得简单,首先合成碳来创建碳支架,然后在支架内部创建硅并调整内部空隙,最终形成神奇的SCC55。而具体的工艺细节,早已被Group14申请了全球专利,成为其商业帝国的基石。

  Group14还设计了一种可轻松复制的流程,可以在需要的地方建造各种规模的工厂(BAM 工厂)。每个模块都自成一体,每年可生产材料达10GWh。还可以根据需要将任意数量模块组合在一起,形成任意规模的BAM工厂。

  产能方面,Group14位于美国华盛顿州伍丁维尔的 BAM-1工厂目前为超过65家客户供货,这些客户占全球电池生产市场的95%,另外也正在亚洲、欧洲等地区部署BAM工厂。可以确定的是BAM-1工厂的产量已超过10GWh,大约可以满足10-20万辆电动车使用。

  如果投产顺利,位于华盛顿的BAM-2工厂产能将会达到BAM-1的2倍,将在2024年成为全球最大的先进硅负极电池技术工厂。

  写在最后

  机圈里常有人调侃:不都是供应链技术,讲什么自研。 我们从结果上来看,这几家的硅碳负极电芯都是来自ATL,而且大概率就是采用的SCC55材料,好像确实这么一回事。

  但其实,供应链与厂商之间的交流并不是单向的,很多材料、技术的应用往往是双方共同努力的结果。类比一下,供应链技术就像食材,最终的出品还是要看大厨的料理手法和调味。

  就拿本文所讨论的续航来说,硅碳负极电池的量产应用是关键。硅碳负极的理论能量密度远高于传统石墨负极,能够大幅提升电池续航。而Group14的SCC55材料则是目前最具代表性的硅碳负极材料之一,拥有优异的性能和量产能力。

  同时各家手机厂商在电池封装工艺、电源管理、系统调度等方面也进行了优化,最终才让消费者拿到手的手机有了出色的续航水平。

  至于本文标题提到的那个问题,每个人都可以有自己的理解。

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