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小米汽車電池技術成熟嗎-小米汽車電池技術成熟嗎

tamoadmin 1 0

    試問5年前有誰想到2021年的手機將會是什么樣子?

    5G超高速通訊網絡讓人們隨時可以接入互聯網,將多年前僅限于通話的個人終端拓展出更多可能;強悍的處理器算力提供暢快的使用體驗,甚至可以在手機上享受3A級 游戲 ;影像部分更是達到前所未有的高度,抬手即拍的就擁有與相機一戰(zhàn)之力的畫質;屏幕更是從以前的3.5英寸最佳變成手機有多大屏幕就有多大。

    唯獨,默默無聞為這么多高 科技 部件提供運行電力的電池,卻難以突破自身界限,能量密度難以提升。人們另辟蹊徑,從提高電池的充電功率,從縮短電池的充電時間著手,也只能緩解容量不夠大的窘迫,不能解決根本性容量密度低下的問題。

    小米汽車電池技術成熟嗎-小米汽車電池技術成熟嗎
    (圖片來源網絡,侵刪)

    石墨材質負極制作的鋰電池已使用多年,經過逐年發(fā)展容量提升已達到瓶頸狀態(tài),想要獲得更長的續(xù)航只能依賴簡單粗暴的“增加電池尺寸”來提升容量,在如今追求輕、薄、手感的旗艦機中電池已成為木桶里最大短板。

    誰能站出來?

    2021年3月29日-30日小米連開兩場春季新品發(fā)布會,小米11 Pro、小米11 Ultra、小米折疊屏手機等重磅旗艦手機亮相,小米全球首發(fā)了硅氧負極電池,并成功量產搭載在小米11 Pro、小米11 Ultra身上,高能量密度、高壽命、高性能的硅氧負極電池相信會帶動電池行業(yè)邁向新的篇章。

    電池原理

    電池從結構件來劃分主要由三個部件組成:陽極、陰極、與隔膜,通過卷繞堆疊等方式裝配,填充電解液后封入鋼殼或者軟性包裝內,就變成人們常見的電池,鋼殼電池一般用于電動 汽車 上,數碼產品一般使用軟性包裝。

    在充電過程中,外部電壓通過極耳施加到電池內部,正極鋰離子釋放電子,在電場作用下穿過隔膜在電解液中遷移至負極,嵌入到負極石墨活性物質內部,電子被接收,完成充電儲能過程。外部帶載需要放電時,鋰離子釋放電子并從負極脫嵌,穿過隔膜向正極遷移,嵌入到正極,電子被正極活性物質接收,完成電能釋放。

    傳統(tǒng)石墨負極電池瓶頸

    鋰電池正極材料有很多不同的配方,鈷酸鋰、鎳鈷錳、鎳鈷鋁,這里暫不討論正極。負極材質方面一般用石墨配方制作,石墨易取得且價格便宜,并且性能還行,所以石墨負極作為電池負極主要材質已使用了幾十年。

    石墨材質負極電池多次循環(huán)后,架構開始不穩(wěn)定,部分鋰離子無法嵌入到負極內部只能停留在負極表面,慢慢堆積起來產生析鋰現象,可用與遷移的鋰離子越來越少,容量快速衰減,嚴重時會析鋰會變成鋰枝晶刺破隔膜,導致電池內部短路漏電甚至爆炸。容量方面?zhèn)鹘y(tǒng)石墨負極材質鋰電池能量密度理論上限約為372mAh/g,目前技術已迫近理論值難以再往上突破,尋求新材質配方勢在必行。

    小米每代旗艦電池發(fā)展

    小米歷代旗艦系列手機的電池容量發(fā)展,從上面的柱狀圖可以看到,小米歷代旗艦機型的電池容量基本上隨時間逐漸提升,但到達4000mAh之后容量增長開始放緩,電池容量最高為小米10的4780mAh,主要提升容量密度的方法是增大電池體積,可以看出傳統(tǒng)石墨負極電池能量密度已到達瓶頸狀態(tài)。

    小米歷代旗艦手機的快充發(fā)展可以看出在小米9前面的18W快充保持了很久,小米5是2015年發(fā)布的機型,小米8是2018年發(fā)布的機型,18W快充整整用了3年的時間。小米的快充是在2019年的小米9及以后的機型中得到顯著的提升,也可以看出小米開始在快充技術方面開始發(fā)力,功率最高是小米10至尊紀念版,搭載了石墨烯基蝶式電池,功率達到120W,性能提升被能量密度拖了后腿。

    硅負極新材質電池挑戰(zhàn)

    把硅材質應用到電池負極上需要面對幾個難題,一是硅顆粒在鋰離子充電時會膨脹,最大可膨脹至原來4倍,結果是導致結構坍塌,電極材料脫落。二是硅本身為半導體材料,相比常用的石墨負極,導電性差很多,鋰離子脫嵌不可逆程度大,也影響電池容量。

    2019年,特斯拉在電池日活動上就介紹了特斯拉將開發(fā)硅負極材質電池,通過在在硅原材料上涂抹特殊涂層達到穩(wěn)定硅結構的作用,避免充電膨脹性導致結構損壞。新能源 汽車 的成本占比中,電池組占比十分高,特斯拉使用硅負極電池主要是用于大幅度降低成本提升產能,迅速搶占新能源 汽車 市場。小米將硅負極電池應用到數碼配件上,同樣要解決硅膨脹的物理特性才可以將其量產使用。

    小米首發(fā)硅氧負極電池

    小米11 Ultra并非首次使用硅負極材質電池的小米手機,早在2019年9月,小米概念機MIX Alpha上就使用了納米硅碳負極材質電池,在4050mAh容量的電池上實現了40W有線閃充。雖然MIX Alpha只是技術驗證機型未量產,但也能看出小米在2019年甚至更早前,就已經開始對電池新負極材質進行 探索 。

    相比起第一代硅碳負極,這次小米11 Ultra用了更為成熟穩(wěn)定的硅氧負極材質電池,屬于小米第二代硅負極電池技術,通過摻硅補鋰的方式在負極中使用了納米級硅氧化物,與第一代硅碳材質相比擁有更加穩(wěn)定的結構。硅氧負極有效避免充放電過程中硅顆粒膨脹導致破裂粉化,解決硅負極電池壽命問題,讓這種新材質電池不止停留在概念上,進入實際量產讓消費者受惠。

    狹窄空間內的容量提升

    目前旗艦機型電池容量一般在4000-4500之間,入門級產品反而經常見到5000甚至以上的超大電池,為什么旗艦機型電池反而沒入門機容量大?因為入門機型攝像頭模塊占據空間少,處理器性能釋放較為溫和無需額外投入大散熱規(guī)模處理,并且入門用戶對外觀手感設計等沒太大追求,所以入門機相對來說擁有更大的空間放入大電池。

    而旗艦機型則不同,有看過拆解的小伙伴就知道,旗艦機型一般在性能方面都做到了全面堆料,影像部分攝像頭模組占了巨大的空間,主板被擠壓到只剩下一丁點空間,強悍的處理器還要放入均熱板、熱管、石墨導熱貼等散熱模塊,還要預留空間給無線充電線圈,所以旗艦機型電池反而無法再做大。

    傳統(tǒng)石墨負極材質鋰電池能量密度理論上限為372mAh/g,目前技術已迫近理論值難以再往上突破。而硅負極材質能量密度上限高達4200mAh/g,是傳統(tǒng)石墨負極材質的10倍儲電能力,可以在相同的空間內放入更大容量。

    小米11 Ultra機內結構為傳統(tǒng)的三段式設計,機身厚度也僅為8.38mm,電池倉空間并未見有特別增大,就在這小小的空間內,放入了5000mAh大容量電池,可見硅氧負極電池的確可以提升能量密度。雖然硅負極材質電池能量密度十倍于石墨材質電池,但小米11 Ultra作為首款搭載硅氧負極電池的量產數碼產品,小米并未將硅氧負極電池實力盡情發(fā)揮,而是做出了十分謹慎的處理,相信以后更多產品搭載硅氧負極電池的產品后,小米將會進一步提升能量密度。

    67W大功率快充

    電池三塊拼圖,壽命、容量、性能,解決了壽命穩(wěn)定性并提升容量后,最后一塊拼圖就是性能:快充。前面已經說過電池是卷繞堆疊的方式制作,連接外部的是極耳。極耳就好比是馬路,傳統(tǒng)電池用雙向單車道設計,所有車輛通行都在這道路上,速度受限于單車道只能低效前進,就算 汽車 提速也會引起不穩(wěn)定,簡單來說就是傳統(tǒng)電池極耳少內阻高只能慢充,大電流會發(fā)熱,難以提升充電功率。

    小米11 Ultra電池用了MTW多極耳技術制作,多達20個極耳好比修建了對向10車道,大幅度增加了通行效率,大幅度降低內阻,可支撐大電流充電并降低溫升。

    小米11 Ultra配套充電器型號為MDY-12-ES,輸出功率67W,是小米私有快充系統(tǒng)內常見的魔改A口PD充電器,支持5V3A / 9V3A / 11V6.1A / 20V3.25A,其中11V6.1A正是小米11 Ultra快充所使用的電壓檔。

    小米11 Ultra內部為ATL單電芯結構,有線充電部分用2:1電荷泵充電技術,通過電壓減半電流加倍的方式進行高效直充。按照電池電壓4.45V計算,實際充電器輸出8.9V6.1A,電池端直充功率將達到4.45V12.2A。從官方提供的數據中可以得知,小米11 Ultra只需36分鐘就可以充滿100%,不管是完全充滿還是碎片化充電都非??焖?。

    充電頭網總結

    石墨負極電池技術已達到瓶頸難以提升能量密度,只能通過增大體積來增加容量,這限制了所有用電設備的設計、使用、體驗,比如手機要么做輕薄失去大容量電池,要么做成板磚那么厚來提升續(xù)航。

    小米成功攻克新材質電池技術全球首發(fā)硅氧負極電池,納米硅氧負極材質保證其結構穩(wěn)定達到長壽命效果,能量密度的提升讓小米11 Ultra在8.38mm機身厚度內,放入容量高達5000mAh的大電池,MTW 20極耳技術讓它支持67W電荷泵高壓直充。這意味著小米已掌握手機鋰電池核心技術,補足了木桶最大的一塊短板,并且會帶動整個行業(yè)全面進入新材質電池的開發(fā)當中。

    小米在春季新品發(fā)布會上宣告進軍新能源 汽車 領域,擁有硅氧負極電池的技術儲備將會成為小米殺手锏,因為電池組是新能源 汽車 成本構成的大頭,硅負極材質電池大容量、低成本、高性能完美貼合新能源 汽車 行業(yè),相信小米硅負極材質電池將會顛覆新能源 汽車 現有的格局,改變整個生態(tài)。

    本文探討了小米在新材質電池領域方面的突破,下一篇文章充電頭網將會繼續(xù)探討小米在無線充方面的黑 科技 ,如何實現67W無線充的商用量產。

    標簽: #負極

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