网友问：

今年手机电池变大了好多，小俱能不能给科普一下硅碳负极电池？

今年大家对手机行业感知最明显的大变化有两个：一个是AI带来了很多新鲜实用的体验，另一个是电池容量实现了猛增。

仿佛忽然之间，以前非常罕见的6000mAh超大电池，在今年突然有了普及之势。这样的超大电池容量不再是入门机或专业游戏手机的专属，开始更多地出现在各价位段主流机型上：vivo S19、vivo Y200系列、iQOO Z9系列、一加Ace3 Pro、努比亚Z60 Ultra系列……至少12款手机。

如果说去年是硅碳负极电池的探索商用，今年则已经成了普及年，各个厂商都已经推出了自有品牌电池技术，如荣耀青海湖电池、小米金沙江电池、OPPO冰川电池、vivo蓝海电池、华为巨鲸电池。虽然大家叫的名字不一样，但都采用了同一项技术——硅碳负极电池。

硅碳负极电池的出现，带来了手机电池容量的大跃进。

甚至，得益于电池能量密度的提升，小屏手机的续航短板问题一举得到解决，今年将有更多厂商推出小屏手机，电池容量达到5500mAh左右，这在以往是不可想象的。小屏手机有望迎来自己的春天。

可以说，硅碳负极电池影响了整个手机行业，甚至推动了手机产品形态的改变，消费者也因此得到了实实在在的好处，不仅不再因为续航而焦虑，而且小屏手机也有了更多选择。

对于这样一个具有标志性意义的技术，不少朋友好奇它到底是怎么做到电量猛增的，今天我们就来做个简单科普。

首先，我们来看一下手机电池是怎么充放电的。

大家知道，现在的手机电池都是锂电池。之所以叫锂电池，是因为它的充放电主要通过锂离子的移动来完成。

锂电池基本由正极、负极、电解液和隔膜四个部分组成。正极材料目前主要有磷酸铁锂、钴酸锂、三元锂等锂化物。负极材料有很多，但传统的主要是石墨，当前的新趋势主要是硅碳复合材料。

图源：知乎@珠海欧美克仪器

先来看一下传统的石墨负极电池是怎么工作的。

当我们给电池施加一个外部电压，“正极”锂化物当中的“锂离子”就会在电场的拖拽下，从原来的化学结构中脱离出来，并且在电磁力的驱动下一路穿过隔膜进入到“负极”的石墨之中。

图源：知乎@回天新材

当大量“锂离子”携带着电势能来到负极之后，就存储在了石墨之中，体积也会随之膨胀变大。从能量转换的角度来看，这个过程就是锂电池的“充电”。

图源：知乎@回天新材

当电池处于放电状态时，负极收缩，释放锂离子。锂离子通过电解液从负极移动到正极，并与正极发生反应，释放出电子，完成放电。

简单总结一下，锂电池在充电的时候，锂离子从正极出来跑到负极；放电的时候，锂离子又从负极出来跑到正极。正负极的储锂能力决定了锂离子电池存储能量的多寡。

研究人员发现，石墨负极需要六个碳原子才能存储一个锂离子，而硅材料仅需一个硅原子就能存储四个锂离子。如果用硅来做负极材料，储能要比石墨多几十倍。

不过，纯硅材料有它的缺点，那就是充电后膨胀系数太大。作为对比，石墨负极充电膨胀水平大概在10%多，而硅材料达到了300%！放电后又会大幅收缩。这样的大幅膨胀、收缩，循环多次后，就会导致硅材料破碎、粉化，寿命太短。

另外，电导率较低、电阻比较大，不利于传导电流，也是硅材料的缺点。

因此，如何利用硅来提升锂电池储能水平，就聚焦在了两个问题上：一是解决过度膨胀的问题；二是解决电导率偏低的问题。

最终，研究人员选择了硅碳复合材料——在碳中混入一定比例的硅，既利用了硅高效存储锂离子的强大能力，又利用了碳的高电导率。

先是把硅纳米化。当硅颗粒小于150nm后，其膨胀率会从300%下降到30%左右。

接下来，用碳将硅微粒包裹住。这样做的好处是一举两得，一方面本身就多孔的碳，可以作为缓冲层，进一步抵消硅微粒的充电膨胀，另一方面可以增加整体结构的导电性。

这样的硅碳复合材料做负极，可以一定程度上提高电池容量，能量密度约为石墨负极的1.3倍，同时也很好地控制了硅的膨胀，保证了电池使用寿命。

通过前面的介绍，我们知道，硅碳负极电池中的硅含量越高，能存储的锂离子就越多，电池能量密度也就越大。因此，目前的技术比拼就聚焦在了硅含量上，主流的是6%硅含量，荣耀第三代青海湖电池则号称达到了10%硅含量。

图源：荣耀官网

随着技术的不断进步，硅碳负极电池的能量密度有望持续提升。