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荣耀的青海湖电池,小米和特斯拉都很眼熟

[2023-03-09 10:14:38] 编辑:一游之间 点击量:28
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导读:图片来源@视觉中国文|雷科技leitech就在本周,荣耀在上海举办了Magic5系列发布会,会上官方正式揭秘了此前预热的「青海湖电池」所采用的硅碳负极技术,并宣布荣耀Magic5Pro和Magic5至臻版在行业中首发硅碳负极电池技术,电池容量均达到5450mAh,机 .....

荣耀的青海湖电池,小米和特斯拉都很眼熟

图片来源 @视觉中国

文|雷科技 leitech

就在本周,荣耀在上海举办了 Magic5 系列发布会,会上官方正式揭秘了此前预热的「青海湖电池」所采用的硅碳负极技术,并宣布荣耀 Magic5 Pro 和 Magic5 至臻版在行业中首发硅碳负极电池技术,电池容量均达到 5450mAh,机身厚度也均是 8.77mm。按照荣耀 CEO 赵明的说法,搭载大容量「青海湖电池」的荣耀 Magic5 Pro 和至臻版都能支持重度使用一整天。

事实上,硅碳负极电池技术很早被行业探索,特斯拉 2020 年发布的 4680 电池就采用了高镍正极 + 硅碳负极材料,再加上全极耳和干电池技术,官方宣称新电池能量密度能达到 300Wh/kg。在目前锂电池的负极材料技术发展中,硅基材料的关注度最高,产业化的希望也最大,尤其是特斯拉的 4680 电池直接推动各大电池厂商在硅基负极方面的布局,其中就包括硅碳负极和硅氧负极。

在这两个方面,另一家手机厂商——小米其实很早就有了尝试。早在 2019 年,小米在概念机 MIX Alpha 上采用了硅碳负极电池,电池容量达到 4050mAh。而在小米 11 Pro 和 Ultra 上,小米开始采用硅氧负极电池,最新亮相的小米真无线 AR 眼镜中,官方同样也提到了搭载「硅氧负极电池」。

荣耀的青海湖电池,小米和特斯拉都很眼熟

图 / 雷军微信公众号

但另一方面,从 2020 年官宣至今,特斯拉的 4680 依然还没进入大规模量产交付阶段,硅基负极电池的规模化应用也普遍存在一定问题。所以,高能量密度、高性能的硅基负极电池真能刷新我们的「续航」体验吗?

从石墨到硅基,电池技术又往前了「一小步」

过去几年,电池能量密度的提高主要依靠结构上的改进。比如特斯拉的圆柱电池,电芯的直径越来越大,高度越来越高,单块电池需要的电芯个数也随之减少,而空间效率的提高也提高了整车的续航里程。类似的还有比亚迪的刀片电池,也是通过结构改进,进一步提高了电池的能量密度。

但仅仅指望结构上改进显然不够,电池材料上的改进也是整个产业的共同方向。除了从液态电解质转向固态电解质——也就是固态电池的发展,正负极材料同样是重点,而在负极材料上,传统的石墨负极材料更是已经接近了性能极限。

荣耀的青海湖电池,小米和特斯拉都很眼熟

图 / 美国能源部

在充电过程中,正极的锂离子脱嵌经过内部的电解液,穿过隔膜嵌入到负极;反过来在放电过程中,负极的锂离子则是脱嵌经过电解质、穿过隔膜嵌入到正极。正负极材料的比容量,又即单位质量的电池或活性物质所能放出的电量,将在很大程度上影响电池的能量密度。

目前正极材料已经有了大量的选择,包括钴酸锂、镍钴锰、磷酸铁锂等,但在负极材料领域最主流的材料只有石墨,包括人造石墨和天然石墨在 2021 年占据了所有负极材料出货量的98%,包括硅基负极在内的其他负极材料,出货量仅有 2%。

如果从性能角度,石墨负极在各方面都不是最好的,理论比容量只有 340~370mAh/g,之所以能够占据绝对的主流,核心是来源广、价格低、安全好以及工艺成熟,总结起来就是:

量大管饱。

但放在今天,从行业到用户,电动汽车对提高电池能量密度这件事充满了渴求,在石墨负极绕不开性能极限的背景下,选择更换性能更高的硅基负极材料几乎是一种必然的选择。

理论上,硅基负极材料的比容量可以高达 4200mAh/g,是石墨负极理论极限的近 12 倍,也是目前已知比容量最高的电池负极材料。即便是目前仅仅小规模应用的硅碳负极和硅氧负极材料,实际比容量也分别达到了 450mAh/g 和 450~500mAh/g。

具体到实际应用,最明显的感知就是电池能量密度的提高。采用硅碳负极的特斯拉 4680 电池能量密度达到了 300Wh/kg,特斯拉声称,其能量是 2170 电池的 5 倍,车辆续航里程也提高了 16%。

电车核心,手机捡漏?硅基负极的「小」问题

两年多过去了,我们还是没有看到特斯拉 4680 电池的大规模量产交付。一方面是硅基负极电池的美好前景,但另一方面也面临很多挑战,其中一个就是现有硅基负极的循环寿命问题。

理论上,硅基负极电池应该是一种高寿命电池,但目前小规模应用的硅碳负极电池循环寿命普遍落在在 500~600 次,大幅低于石墨负极电池基本高于 1000 次的水平。

更大的问题是,手机等 3C 产品对电池充放电循环寿命的要求一般在 600 次,无人机约为 200 次,但对于汽车来说,国标对动力电池的循环寿命要求是 1000 次以上。换句话说,现有的硅基负极电池根本达不到国标的上车要求。

不过,硅基负极电池更高的能量密度始终是优势所在,只是现阶段较低的循环寿命和较高的成本阻止了一部分产品采用,只有高端智能手机等少数产品有能力并愿意采用,这也是为什么我们会在小米 11 Pro/Ultra 和荣耀 Magic5 Pro/ 至臻版上看到硅基负极电池。

荣耀的青海湖电池,小米和特斯拉都很眼熟

硅基负极电池市场趋势预测,图 / 贝特瑞

但毫无疑问,硅基负极材料在动力电池的应用才是最关键的一环,绕开中国电动汽车市场几乎是无法想象的。而硅基负极电池的寿命过低,一个主要的原因在于,硅基负极材料的充放电膨胀率超过了 300%,石墨负极一般只在 12%~15%。过高的膨胀率导致硅颗粒可能破裂并造成电极失效,引起锂离子迅速衰减,影响电池循环性能。

在 2020 年的发布现场,马斯克曾经承诺在 2022 年年内解决这些问题并实现规模化量产。但时至今日,特斯拉的 4680 电池仍然还在小批量生产,只有少量美国市场的 Model Y 搭载交付。

尽管特斯拉方面量产受阻,但电池厂商还在加速布局硅基负极,包括宁德时代、比克、亿纬锂能、蔚蓝等国内电池厂商都在推进 4680 项目落地,其中宁德时代麒麟选用预锂硅氧代表着硅负极在方型电池的成功应用,仅 2023 年就有 10Gwh 生产计划。

另一边,特斯拉的 4680 电池依然可能是 2023 年硅基负极电池的出货主力,同时松下、LG 等海外电池厂商也要在今年开始 4680 电池的量产。

诚然,硅基负极电池还面临大规模量产和成本的挑战,但最核心的一点就如上文所提,电动汽车急需更高能量密度的电池,而石墨负极在理论上已经无法满足发展的空间,硅基负极则是目前理论效率最高且距离产业化最近的材料。再加上各大车企和电池厂商的押注,当下的挑战,硅基负极产业来说:

只是黎明前的黑暗。

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