电池技术重大突破，一文看懂小米全球首发硅氧负极电池

试问5年前有谁想到2021年的手机将会是什么样子？

5G超高速通讯网络让人们随时可以接入互联网，将多年前仅限于通话的个人终端拓展出更多可能；强悍的处理器算力提供畅快的使用体验，甚至可以在手机上享受3A级游戏；影像部分更是达到前所未有的高度，抬手即拍的就拥有与相机一战之力的画质；屏幕更是从以前的3.5英寸最佳变成手机有多大屏幕就有多大。

唯独，默默无闻为这么多高科技部件提供运行电力的电池，却难以突破自身界限，能量密度难以提升。人们另辟蹊径，从提高电池的充电功率，从缩短电池的充电时间着手，也只能缓解容量不够大的窘迫，不能解决根本性容量密度低下的问题。

石墨材质负极制作的锂电池已使用多年，经过逐年发展容量提升已达到瓶颈状态，想要获得更长的续航只能依赖简单粗暴的“增加电池尺寸”来提升容量，在如今追求轻、薄、手感的旗舰机中电池已成为木桶里最大短板。

谁能站出来？

2021年3月29日-30日小米连开两场春季新品发布会，小米11 Pro、小米11 Ultra、小米折叠屏手机等重磅旗舰手机亮相，小米全球首发了硅氧负极电池，并成功量产搭载在小米11 Pro、小米11 Ultra身上，高能量密度、高寿命、高性能的硅氧负极电池相信会带动电池行业迈向新的篇章。

电池原理

电池从结构件来划分主要由三个部件组成：阳极、阴极、与隔膜，通过卷绕堆叠等方式装配，填充电解液后封入钢壳或者软性包装内，就变成人们常见的电池，钢壳电池一般用于电动汽车上，数码产品一般使用软性包装。

在充电过程中，外部电压通过极耳施加到电池内部，正极锂离子释放电子，在电场作用下穿过隔膜在电解液中迁移至负极，嵌入到负极石墨活性物质内部，电子被接收，完成充电储能过程。外部带载需要放电时，锂离子释放电子并从负极脱嵌，穿过隔膜向正极迁移，嵌入到正极，电子被正极活性物质接收，完成电能释放。

传统石墨负极电池瓶颈

锂电池正极材料有很多不同的配方，钴酸锂、镍钴锰、镍钴铝，这里暂不讨论正极。负极材质方面一般采用石墨配方制作，石墨易取得且价格便宜，并且性能还行，所以石墨负极作为电池负极主要材质已使用了几十年。

石墨材质负极电池多次循环后，架构开始不稳定，部分锂离子无法嵌入到负极内部只能停留在负极表面，慢慢堆积起来产生析锂现象，可用与迁移的锂离子越来越少，容量快速衰减，严重时会析锂会变成锂枝晶刺破隔膜，导致电池内部短路漏电甚至爆炸。容量方面传统石墨负极材质锂电池能量密度理论上限约为372mAh/g，目前技术已迫近理论值难以再往上突破，寻求新材质配方势在必行。

小米每代旗舰电池发展

小米历代旗舰系列手机的电池容量发展，从上面的柱状图可以看到，小米历代旗舰机型的电池容量基本上随时间逐渐提升，但到达4000mAh之后容量增长开始放缓，电池容量最高为小米10的4780mAh，主要提升容量密度的方法是增大电池体积，可以看出传统石墨负极电池能量密度已到达瓶颈状态。

小米历代旗舰手机的快充发展可以看出在小米9前面的18W快充保持了很久，小米5是2015年发布的机型，小米8是2018年发布的机型，18W快充整整用了3年的时间。小米的快充是在2019年的小米9及以后的机型中得到显著的提升，也可以看出小米开始在快充技术方面开始发力，功率最高是小米10至尊纪念版，搭载了石墨烯基蝶式电池，功率达到120W，性能提升被能量密度拖了后腿。

硅负极新材质电池挑战

把硅材质应用到电池负极上需要面对几个难题，一是硅颗粒在锂离子充电时会膨胀，最大可膨胀至原来4倍，结果是导致结构坍塌，电极材料脱落。二是硅本身为半导体材料，相比常用的石墨负极，导电性差很多，锂离子脱嵌不可逆程度大，也影响电池容量。

2019年，特斯拉在电池日活动上就介绍了特斯拉将开发硅负极材质电池，通过在在硅原材料上涂抹特殊涂层达到稳定硅结构的作用，避免充电膨胀性导致结构损坏。新能源汽车的成本占比中，电池组占比十分高，特斯拉使用硅负极电池主要是用于大幅度降低成本提升产能，迅速抢占新能源汽车市场。小米将硅负极电池应用到数码配件上，同样要解决硅膨胀的物理特性才可以将其量产使用。

俄开发出“几秒钟内”完成充电的新式电池

来源:科技日报 俄开发出“几秒钟内”完成充电的新式电池 俄罗斯圣彼得堡国立大学科研人员开发出一种新型的聚合物基固体电池，可在几秒钟内完成充电。 该大学电化学系教授奥列格·莱文说：“根据实验结果对此验证，使用我们的材料制成的电池可在几秒钟内完成充

小米首发硅氧负极电池

小米11 Ultra并非首次使用硅负极材质电池的小米手机，早在2019年9月，小米概念机MIX Alpha上就使用了纳米硅碳负极材质电池，在4050mAh容量的电池上实现了40W有线闪充。虽然MIX Alpha只是技术验证机型未量产，但也能看出小米在2019年甚至更早前，就已经开始对电池新负极材质进行探索。

相比起第一代硅碳负极，这次小米11 Ultra采用了更为成熟稳定的硅氧负极材质电池，属于小米第二代硅负极电池技术，通过掺硅补锂的方式在负极中使用了纳米级硅氧化物，与第一代硅碳材质相比拥有更加稳定的结构。硅氧负极有效避免充放电过程中硅颗粒膨胀导致破裂粉化，解决硅负极电池寿命问题，让这种新材质电池不止停留在概念上，进入实际量产让消费者受惠。

狭窄空间内的容量提升

目前旗舰机型电池容量一般在4000-4500之间，入门级产品反而经常见到5000甚至以上的超大电池，为什么旗舰机型电池反而没入门机容量大？因为入门机型摄像头模块占据空间少，处理器性能释放较为温和无需额外投入大散热规模处理，并且入门用户对外观手感设计等没太大追求，所以入门机相对来说拥有更大的空间放入大电池。

而旗舰机型则不同，有看过拆解的小伙伴就知道，旗舰机型一般在性能方面都做到了全面堆料，影像部分摄像头模组占了巨大的空间，主板被挤压到只剩下一丁点空间，强悍的处理器还要放入均热板、热管、石墨导热贴等散热模块，还要预留空间给无线充电线圈，所以旗舰机型电池反而无法再做大。

传统石墨负极材质锂电池能量密度理论上限为372mAh/g，目前技术已迫近理论值难以再往上突破。而硅负极材质能量密度上限高达4200mAh/g，是传统石墨负极材质的10倍储电能力，可以在相同的空间内放入更大容量。

小米11 Ultra机内结构为传统的三段式设计，机身厚度也仅为8.38mm，电池仓空间并未见有特别增大，就在这小小的空间内，放入了5000mAh大容量电池，可见硅氧负极电池的确可以提升能量密度。虽然硅负极材质电池能量密度十倍于石墨材质电池，但小米11 Ultra作为首款搭载硅氧负极电池的量产数码产品，小米并未将硅氧负极电池实力尽情发挥，而是做出了十分谨慎的处理，相信以后更多产品搭载硅氧负极电池的产品后，小米将会进一步提升能量密度。

67W大功率快充

电池三块拼图，寿命、容量、性能，解决了寿命稳定性并提升容量后，最后一块拼图就是性能：快充。前面已经说过电池是卷绕堆叠的方式制作，连接外部的是极耳。极耳就好比是马路，传统电池采用双向单车道设计，所有车辆通行都在这道路上，速度受限于单车道只能低效前进，就算汽车提速也会引起不稳定，简单来说就是传统电池极耳少内阻高只能慢充，大电流会发热，难以提升充电功率。

小米11 Ultra电池采用了MTW多极耳技术制作，多达20个极耳好比修建了对向10车道，大幅度增加了通行效率，大幅度降低内阻，可支撑大电流充电并降低温升。

小米11 Ultra配套充电器型号为MDY-12-ES，输出功率67W，是小米私有快充系统内常见的魔改A口PD充电器，支持5V3A / 9V3A / 11V6.1A / 20V3.25A，其中11V6.1A正是小米11 Ultra快充所使用的电压档。

小米11 Ultra内部为ATL单电芯结构，有线充电部分采用2：1电荷泵充电技术，通过电压减半电流加倍的方式进行高效直充。按照电池电压4.45V计算，实际充电器输出8.9V6.1A，电池端直充功率将达到4.45V12.2A。从官方提供的数据中可以得知，小米11 Ultra只需36分钟就可以充满100%，不管是完全充满还是碎片化充电都非常快速。

充电头网总结

石墨负极电池技术已达到瓶颈难以提升能量密度，只能通过增大体积来增加容量，这限制了所有用电设备的设计、使用、体验，比如手机要么做轻薄失去大容量电池，要么做成板砖那么厚来提升续航。

小米成功攻克新材质电池技术全球首发硅氧负极电池，纳米硅氧负极材质保证其结构稳定达到长寿命效果，能量密度的提升让小米11 Ultra在8.38mm机身厚度内，放入容量高达5000mAh的大电池，MTW 20极耳技术让它支持67W电荷泵高压直充。这意味着小米已掌握手机锂电池核心技术，补足了木桶最大的一块短板，并且会带动整个行业全面进入新材质电池的开发当中。

小米在春季新品发布会上宣告进军新能源汽车领域，拥有硅氧负极电池的技术储备将会成为小米杀手锏，因为电池组是新能源汽车成本构成的大头，硅负极材质电池大容量、低成本、高性能完美贴合新能源汽车行业，相信小米硅负极材质电池将会颠覆新能源汽车现有的格局，改变整个生态。

本文探讨了小米在新材质电池领域方面的突破，下一篇文章充电头网将会继续探讨小米在无线充方面的黑科技，如何实现67W无线充的商用量产。