一、锂离子电池充电原理

锂电池的充放电原理

我想，每个人都知道锂离子电池的充放电原理是什么吧！

当充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。

而作为负极材料一般都是层状结构，并会有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到这些微孔中，嵌入的锂离子越多，电池的容量也就越高。

当放电时，嵌在负极微孔中的锂离子脱出，又运动回正极。当回到正极的锂离子越多时，放电容量也就越高。

二、锂离子电池构成

聚合物锂电池结构

我们手机使用的锂离子电池，是由三个部分组成：正极、负极和电解质。

按照电解质不同，我们把采用液态有机电解质叫锂离子电池，而使用全固态电解质、凝胶有机电解质的，则叫做聚合物电池。

三、负极材料

负极材料分类

通过锂离子电池的原理，大家可以知道，一块电池的容量和负极材料有直接关系。而负极材料最关键的三个技术指标就是能量密度、循环寿命、安全性能。

目前上市量产的负极材料分为碳材料和非碳材料两种。

1、碳系负极材料

主要包括人造石墨、天然石墨和中间相炭微球等；而将石油焦炭、石墨作负极材料，不仅无毒，而且价格便宜，材料充足。凭借工艺成熟、成本低、性能尚可，碳系负极材料占据 92%的负极材料市场份额。

我们手机上目前采用的，基本上都是采用这种碳系负极材料。

2、非碳材料

主要包括钛基材料和硅基材料。

目前在锂离子电池上，非碳材料主要是硅基材料，分为硅氧负极、硅碳负极两个方向。

四、硅基材料优势明显

三种负极对比图

石墨负极材料的能量密度的天花板是 372mAh/g，而硅基材料的理论能量密度可达 4200mAh/g，硅基负极材料在容量上有巨大的优势。

1996 年，硅基负极材料由日本日立化成首次发明。

目前国际上，硅基负极材料技术较为领先的厂家，包括日本日立化成(HITACHI)、日本信越化学(ShinEtsu)、韩国加德士(GS)、韩国大洲(Daejoo)、 美国安普瑞斯(Amprius)等。

而在国内，贝特瑞、江西紫宸、杉杉等等企业已经开始批量出货，不过，国内的硅碳材料企业主要以混配后的硅基负极为主，而日系等国外企业以销售高容量硅碳材料为主。

日系的高容量硅碳材料价格是国产价格的3倍以上甚至更高。石墨负极材料一吨只有5万左右，而硅基材料中便宜的硅氧负极一吨要15万左右；硅碳负极则更贵，最贵的一吨要近30万，尤其是国外企业进口的负极材料。

电池厂家面临一个很尴尬的局面！一般的主机厂都要求电芯价格越低越好，最好降到0.75元/Wh以内，而目前主流电池厂也只能做到0.8~0.9元/Wh。硅基负极的成本过高成了一个问题。

于是主流的硅基材料方案，都是将硅氧和硅碳混合石墨层以后再使用。

五、独辟蹊径的小米

松下21700

2017年1月4日，特斯拉宣布与松下联合研发的新型21700电池开始量产，这款电池在Gigafactory超级电池工厂生产，这也是首次使用硅碳负极材料在动力电池上。

8650与21700对比图

新型21700电池的能量密度达到了300Wh/kg左右，比原来Model S使用的18650电池能量密度提升20%以上，单体容量提升35%，系统成本降低9%左右。

硅基负极锂离子电池测试图

虽然硅基负极锂离子电池的成本高，但是用在手机上，基本不用考虑这个价格问题。于是，小米的电池研发部就开始和电池厂家进行了一系列的合作，通过在电池负极上增加了纳米级的硅氧化合物，不仅保持了硅颗粒不易粉化，又保证了电池的能量密度。

第二代硅氧负极放大图

最终，小米11 Ultra中使用的这块硅氧负极锂离子电池，理论上10倍于传统石墨材料的锂离子存储能力，并且充电速度更快，温度更低。

一项新技术的研究离不开科研人员的辛勤汗水，而一项新技术的发展离不开的是应用层的支持，小米一直走在同行的前面！