今天小編分享的科技經驗：新能源車的續航大戰，打到了手機圈，歡迎閱讀。
今年年初小米發布 14 Ultra，介紹了一個多小時影像功能後，另一位主角 " 金沙江電池 " 姗姗來遲。
小米 14 Ultra" 超大杯 " 的相機模組比上一代整整大了 20%，但整機重量輕了 3g，并且續航提升了 17%，幕後功臣就是 " 金沙江電池 " [ 1 ] 。
從 vivo 的 " 藍海電池 "、一加的 " 冰川電池 "，到榮耀的 " 青海湖電池 "、小米的 " 金沙江電池 "，幾大國產手機品牌，突然就和水杠上了。
這些名山大川背後，其實是從隔壁新能源車舶來的底層技術——矽碳電池。
手機廠商對着中國地形圖取名字之前，特斯拉自產的 2170/4680 電池、寧德時代的麒麟電池都應用了矽碳電池方案。
在 " 洞庭湖電池 "" 千島湖電池 " 出現前，也許有必要搞清楚，矽碳電池到底是個什麼技術，能讓新能源車和消費電子兩大產業，都對其趨之若鹜。
" 越獄 " 的電子
在了解矽碳電池之前，首先要理解電池續航的原理。
無論手機還是汽車，電池充電的本質是電子的 " 越獄 "：原子核帶正電，電子帶負電，雙方數量相當，原子正負電量平衡。但在一定條件下（例如施加電壓、電解），電子會脫離原子，產生電流。
電池的工作，可以簡單理解為創造條件讓電子脫離原子，流入設計好的電路中形成電流，為電子設備輸送電力。決定一塊電池續航多寡的，是兩大部件——正極和負極。
正極是 " 關押 " 電子的 " 牢房 "，一般是金屬化合物。锂元素由于常年玩忽職守，讓電子更容易逃脫，成為了大部分電池的選擇，也就是我們常說的 " 锂電池 "。
負極是電子的 " 安全屋 "：電子越獄後沿着電路前往負極，在這個過程中，會產生電流給電子設備供電；此時，發現電子越獄的锂離子會火速通過電解液殺向負極，将電子擒拿歸案，保持正負平衡。
電池的充電和放電，就是電子不斷越獄，锂離子不斷抓電子的無限循環。
電池續航的核心，一是扮演牢房的正極能夠提供多少編制，容納負責擒拿電子的锂；二是扮演安全屋的負極能夠提供多少床位，收容在逃的電子。
過去幾年，電池廠的技術投資多在正級材料上。可以理解為，在确定锂元素的主體地位後，選什麼材料當輔警，配合锂離子抓電子。
" 三元锂電池 " 就是正極采用三種锂元素化合物的電池。例如 NCM811，就是鎳（N）酸锂、钴（C）酸锂、錳（M）酸锂混合，811 代表三個元素的摩爾配比。NCM522 是另一種配比。
" 磷酸鐵锂電池 " 即正極材料為磷酸鐵锂，雖然抓捕電子的能力不如三元锂電池，但勝在不需要稀有金屬，便宜大碗。
過去十年，電池廠圍繞正極，從 " 三元锂 VS 磷酸鐵锂 " 打到 " 有钴 VS 無钴 "、" 低鎳 VS 高鎳 "，能量密度不斷提高，電動車的續航裡程也從 300km 加碼到 700km 以上。
但經過多年投資，正極材料的進步逐漸觸碰了瓶頸，無法釋放更多在編崗位。于是，電池廠紛紛把目光投向負極，研究安全屋的改造施工方案。
一直以來，碳元素是負極材料的主流選擇，常用的石墨就是碳的旁支兄弟（同素異形體），另一個旁支兄弟我們更熟悉，就是鑽石。
鑽石（左）和石墨（右）差别在于碳原子的排布方式不同
面對續航提升的壓力，工程師們翻開元素周期表，發現矽元素恰好位于碳的正下方，屬于 " 同族兄弟 "，意味着兩者化學性質相似，都很适合做锂電子的 " 收容所 "。
元素周期表上碳和矽同族
因此，所謂 " 矽碳電池 "，就是負極材料使用矽和碳兩種元素的電池，但往碳裡面摻多少矽，就是一門在成本與技術的鐐铐裡反復橫跳的藝術了。
給負極加點料
2020 年 8 月，特斯拉在官網官宣電池日時間，不甚清晰的背景圖卻吸引了更多注意。
媒體很快扒出，圖中的那些 " 細線 " 本體是矽納米線，是一種新型負極技術，本質是以矽取代碳作為負極材料，幾年來在業内積累了不少聲量。
馬斯克很早就意識到，以碳為主要材料的負極，會成為阻礙能量密度更新的一道天塹。因此，特斯拉早早就打起了負極的主意。
2015 年推出 Model S 時，特斯拉就給其中一款配備了 " 狂暴模式 "，聲稱加速到 100 公裡時速只需要 2.8 秒。而這款動力更強的車型，續航裡程反而比其他車型提高了 6%。馬斯克在推特上暗戳戳炫耀，自己給電池負極加了點 " 佐料 " ——這個 " 佐料 " 就是矽。
相比碳元素，矽元素的優勢在于空間更大，方便锂離子把電子一網打盡：
6 個碳原子能容納 1 個锂離子，而 1 個矽原子就能容納 4 個锂離子。理論上，矽材料 " 收容 " 锂離子的能力，是碳材料的 10 倍以上 [ 3 ] ，是替代石墨材料的不二之選。
單純從材料看，直接用矽代替碳作為電池負極，就能帶來續航的爆炸式提升。
但矽有一個致命弱點——充放電過程中體積膨脹非常嚴重，锂離子進入時膨脹，膨脹率最高達 300%（碳的膨脹率只有 16%） [ 4 ] ，锂離子離開後又收縮，一膨一縮之間，材料就會破碎和粉化。在實際使用中，會導致電池衰減速度極快，充電循環次數極低。
經過多次充放電循環後的矽負極
按照國際标準，動力電池必須要能夠循環 1000 次以上，這就把純矽負極的路暫時封死了。
特斯拉的解決辦法是博采眾長，在石墨負極中摻入少量矽，既能提高續航，又能保證循環次數。Model S 采用的松下 2170 電池負極，就摻了 5% 的矽。
材料學家們則沿着另一條路徑突破——改變矽原子的呈現形态：
因為粒子越小，越不容易破碎，那麼把矽材料做到幾十納米的尺寸（碳材料一般是幾百納米甚至微米），就能完美規避矽的化學弱點。這就是特斯拉 2020 年電池日介紹的極其激進的技術路線—— " 矽納米線 "。
按照特斯拉的思路，可以将矽材料的尺寸做到 10nm 的程度，外部以二氧化矽包覆，100% 的矽材料 [ 3 ] ，不含一滴碳，童叟無欺。
但四年過去，" 矽納米線 " 依然靜靜地躺在馬斯克的大餅軍團裡。可能是因為馬斯克的大餅畫得實在太多，以至于大家都忘了還有這一張餅。
特斯拉的技術研發思路一直是 " 物理課本上沒說不行啊 "。相比砸下幾十億美元挑戰物理學的法則，大部分電池廠還是會選擇更加 " 務實 " 的路線——在碳負極裡摻點矽，這才有了矽碳電池套着五花八門的山川湖海集體出道。
只不過在新能源車的應用中，會碰到一個成本問題：一方面，現有電池技術配合快充樁，續航基本夠用；另一方面，即便要提高續航，相比矽碳負極這種提高 " 部門能量密度 " 的方法，裝個更大的電池包可能是更劃算的方案。
但對寸土寸金的手機來說，負極摻矽已經迫在眉睫了。
高端手機不做選擇
2015 年，中國智能手機出貨量首次跌破 10% [ 5 ] ，高速增長期結束，存量博弈時代開始。
此後，" 堆料 " 成為了智能手機迭代的主線，各大手機品牌在攝像頭、處理器等硬體更新上不惜血本，高端產品線作為 " 堆料 " 的集大成者，硝煙彌漫。但對手機體驗影響最大的，其實是電池。
PhoneArena 在 2015 年做的一項調查結果顯示，64% 的消費者最關心的手機功能改進是續航能力 [ 6 ] 。
相比新能源車，手機廠商對矽碳電池的追捧有一個重要原因：手機内部的空間實在太寶貴了。
過去幾年，伴随三攝、面部識别等功能的普及，手機内部鏡頭模組和人臉識别模塊的面積迅速增加，侵蝕了本就不富裕的内部空間。iPhone15 Pro 的電池容量反而比 iPhone 15 低，就是因為多出一個攝像頭，讓電池不得不為鏡頭模組的擴大而妥協。
手機無法像電動車一樣，塞進更大的電池包，因此能夠提高 " 部門能量密度 " 的矽碳電池，就進入了手機廠商的視野。
2019 年，小米在概念機 MIX Alpha 上首次采用了納米矽電池。由于 MIX Alpha 的環繞屏設計過于吸引人，導致大家都沒太注意納米矽電池這個相當激進的技術方案。
兩年後的小米 11 Ultra，小米用矽氧化合物代替納米矽摻入負極，把矽碳電池第一次帶入量產機型。雖然矽氧化合物能量密度提升效果不如納米矽，但勝在循環次數多，成本相對可控。
因為矽碳負極的貢獻，小米 11 Ultra 進入 "5000mAh 俱樂部 "。同時，電池模組的體積幾乎不變，機身厚度也保持在 8.38mm 的舒适區。
從此之後，矽碳負極成為了各家高端產品線的标配。而折疊屏手機的出現，又給矽碳電池添了一把火。
螢幕是手機裡最耗電的零部件，大部分 " 大折疊 " 手機，本質上把螢幕面積擴大了三倍，成為實打實的 " 吞電獸 "。三星 Z Fold 3 就被吐槽 " 睡前滿格、起床 3%"；另一方面，由于 " 折疊 " 的形态，整機對于輕薄的要求更高，對電池的部門能量密度要求更高。
" 極限堆料 " 的高端手機，加上 " 既要又要 " 的折疊屏，把手機續航帶到了 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。
幾年前接受采訪時，蘋果高管 Greg Joswiak 曾發表過 "iOS+3000mAh>5000mAh" 的迷惑言論。現在去找隔壁的特斯拉取取經，興許還來得及。
