Ist es Supply-Chain-Technologie oder Selbstforschung? Das Geheimnis hinter der sprunghaften Steigerung der Akkulaufzeit heimischer Mobiltelefone

Seit die Bildschirme von Smartphones immer größer werden, scheint die Akkulaufzeit nie besser gewesen zu sein. Das mehrtägige Aufladen im Zeitalter der Feature-Phones ist für immer vorbei.

Und wie lange war die Bildschirmnutzungsdauer bei den vorherigen Feature-Phones? 1 Stunde pro Tag? Heutige Smartphones haben so viele Funktionen, so große Bildschirme, und sie müssen die ganze Zeit online bleiben. Die Bildschirmnutzungszeit beträgt mindestens fünf oder sechs Stunden. Eine Ladung pro Tag scheint sehr leistungsstark zu sein.

Wenn Sie inländische Flaggschiffmodelle verwendet haben, die im letzten Jahr auf den Markt kamen, werden Sie feststellen, dass sich die Akkulaufzeit stark verbessert hat und sie grundsätzlich alle zwei Tage aufgeladen werden können. Wie haben sich Mobiltelefonbatterien in nur einem Dutzend Jahren auf ihr heutiges Niveau entwickelt? Was sind die Qinghai Lake-Batterie, die Blue Ocean-Batterie, die Jinsha River-Batterie und andere Technologien, die Hersteller im vergangenen Jahr eingeführt haben? Warum liegen die Zeitpunkte so nah beieinander?

Der Sprung von Nickel zu Lithium

Die neue Generation von Mobiltelefonnutzern hat möglicherweise noch nicht von der magischen Theorie gehört, dass „das Laden des Akkus, bevor er aufgebraucht ist, die Akkukapazität verringert“, und das ist es, was frühe Mobiltelefone ausmachten Ein wesentlicher Nachteil von Nickel-Cadmium-Akkus ist der Memory-Effekt. Später kamen Nickel-Metallhydrid-Batterien auf den Markt, deren Memory-Effekt deutlich verbessert wurde.

Bis um die Jahrtausendwende erlebten die Materialien und die Herstellungstechnologie von Lithium-Ionen-Batterien große Innovationen. Die Kosten sanken deutlich, die Energiedichte stieg und das Problem des Batterie-Memory-Effekts wurde gelöst. Diese Verbesserungen führten dazu, dass Lithium-Ionen-Akkus schnell zur Standardwahl in der Mobiltelefonbranche wurden und die gesamte Branche offiziell in das Zeitalter der Lithium-Akkus eintrat.

Herkömmliche Lithiumbatterien verwenden flüssige Elektrolyte, was die Form und Größe der Batterie einschränkt. Da der Elektrolyt in der Batterie stabil bleiben und gleichzeitig Auslaufen und Korrosion verhindern muss, wird häufig ein Hartgehäuse verwendet, was die Formgestaltung der Batterie einschränkt. Darüber hinaus können sich flüssige Elektrolyte ausdehnen oder verbrennen, wenn sie hohen Temperaturen oder Überladung ausgesetzt werden.

Später entwickelten sich Lithium-Polymer-Batterien zu Lithium-Polymer-Batterien, die in der Industrie weit verbreitet sind. Sie verwenden kolloidale oder feste Elektrolyte und sind mit einer Aluminiumfolie verpackt. Sie haben mehr Freiheit in Größe und Form und können sich flexibel an elektronische Produkte anpassen immer kompaktere Innenräume. Auch die thermische und mechanische Stabilität der Batterie ist besser und verringert dadurch Sicherheitsrisiken.

Nachdem sich die Batterietechnologie für Mobiltelefone auf Lithium-Polymer weiterentwickelt hatte, wurde sie lange Zeit nicht wesentlich verbessert, da die Einschränkungen von Graphitanoden in Lithiumbatterien nach und nach auftraten.

Die theoretische spezifische Kapazität der Graphitanode ist auf 372 mAh/g begrenzt und die Diffusionsrate von Lithiumionen ist gering. Diese Faktoren begrenzen die Verbesserung der Batterieenergiedichte und der Schnellladefähigkeit.

Zusätzlich zu den Leistungsmängeln des Materials selbst ist Naturgraphit als nicht erneuerbarer Rohstoff auch mit vielen Problemen konfrontiert.

Nach Angaben des United States Geological Survey (USGS) belaufen sich die globalen Graphitreserven im Jahr 2020 auf etwa 300 Millionen Tonnen. Gemäß der aktuellen Abbaurate werden die globalen Graphitressourcen bis 2050 voraussichtlich erschöpft sein. Gleichzeitig wird Naturgraphit als natürlicher Rohstoff auch durch geografische Faktoren wie Erdgas und Öl beeinflusst und seine Versorgung ist nicht stabil.

Künstlicher Graphit kann die durch natürlichen Graphit verursachten Probleme bis zu einem gewissen Grad vermeiden, aber der Herstellungsprozess von künstlichem Graphit erfordert viel Energie und erzeugt eine große Menge Abwasser, wenn er nicht richtig behandelt wird, verursacht er ernsthafte Boden- und Wasserschäden Umweltverschmutzung und im Zusammenhang mit „Neuer Energie“ als „umweltfreundlich“ bezeichnet zu werden, geht gegen den Strich.

Außerdem gibt es den wichtigsten Einflussfaktor im Geschäftsleben: Interessen. Basierend auf dem aktuellen Produktionsprozess ist künstlicher Graphit bei gleicher Reinheit 20–30 % teurer als natürlicher Graphit. Da die natürlichen Graphitressourcen immer knapper werden, wird der Preis für natürlichen Graphit immer teurer.

Daher ist die Suche nach alternativen Materialien zu Graphit zu einer der wichtigsten Entwicklungsrichtungen in der Lithiumbatterieindustrie geworden.

Die nächste Generation von Lithiumbatterien: Silizium-Kohlenstoff-Anode

Ob es sich um eine Qinghai-Lake-Batterie, eine Blue-Ocean-Batterie oder eine Jinsha-River-Batterie handelt, sie alle erwähnten in ihren Werbeaktionen „Silizium-Kohlenstoff-Anode“, was auch die Lösung dafür ist Die aktuellen Batterieprobleme sind Schlüsseltechnologien.

Gibt es, wie oben erwähnt, die Nachteile von Graphit als negatives Elektrodenmaterial? Gibt es andere Materialien, die es ersetzen können? Ja, das ist Silizium.

Silizium als negatives Elektrodenmaterial hat eine theoretische spezifische Kapazität von bis zu 4200 mAh/g, was fast dem Elffachen von Graphit entspricht. Das bedeutet, dass Lithiumbatterien mit Siliziumanoden theoretisch die Energiedichte deutlich erhöhen und dadurch die Batterielebensdauer verlängern und die Anzahl der Wiederaufladungen reduzieren können.

Allerdings kommt es bei Siliziummaterialien beim Laden und Entladen zu einer Volumenausdehnung von bis zu 300 %. Diese erhebliche Volumenänderung führt zum Bruch des Elektrodenmaterials und verkürzt dadurch die Zyklenlebensdauer der Batterie.

Um diese Herausforderung zu meistern, haben Wissenschaftler Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterialien entwickelt. Durch die Kombination von Silizium-Nanopartikeln mit Kohlenstoffmaterialien kann die Stabilität des Kohlenstoffmaterials genutzt werden, um die Volumenausdehnung von Silizium zu unterdrücken und die Gesamtleitfähigkeit durch das leitfähige Netzwerk aus Kohlenstoff zu verbessern.

Obwohl die Silizium-Kohlenstoff-Anodentechnologie großes Potenzial zur Verbesserung der Batterieleistung bietet, bestehen immer noch Prozessschwierigkeiten. Die Herstellung von Silizium-Kohlenstoff-Anoden erfordert eine präzise Kontrolle der Nanostruktur des Materials und die Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung von Silizium und Kohlenstoff. Darüber hinaus sind auch die Ersteffizienz und die Zyklenstabilität bei der Batterieherstellung zentrale Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt.

Gruppe14 und ATL

Tatsächlich hat die Silizium-Kohlenstoff-Anoden-Batterietechnologie bereits in den 1970er Jahren die Machbarkeitsprüfung bestanden. Warum haben wir erst im vergangenen Jahr gesehen, dass eine große Anzahl von Verbraucherterminals sie übernommen hat?

Ich muss zwei Unternehmen erwähnen, eines ist das bekannte ATL (New Energy), die Muttergesellschaft von Ningde New Energy und Dongguan New Energy, und das andere ist das Start-up-Unternehmen Group14.

Am 28. Februar 2023 gab Group14 offiziell bekannt, dass es SCC55-Materialien an ATL geliefert hat, um 3C-Produkte wie Smartphones der nächsten Generation mit Strom zu versorgen, und gab bekannt, dass Mobiltelefone mit SCC55-Batteriematerialien bald verfügbar sein werden.

Am 6. März, eine Woche später, veröffentlichte Honor das weltweit erste Smartphone mit Silizium-Kohlenstoff-Anoden-Batterietechnologie – die Magic5-Serie. Branchenmedien TechInsights bestätigten außerdem, dass die Implementierung dieser Technologie durch das Batteriematerialprodukt SCC55 von Group14 vorangetrieben wird.

Wir können auch im berühmten Demontagevideo des Hauptcomputers von Up sehen, dass, egal ob es sich um eine Qinghai-Lake-Batterie, eine Blue-Ocean-Batterie oder eine Jinshajiang-Batterie handelt, sie alle von der Xinnengde Company hergestellt werden und ATL-Zellen verwenden. Daraus können wir grundsätzlich schließen, dass die von ihnen verwendete Silizium-Kohlenstoff-Anodentechnologie das SCC55-Material der Gruppe 14 verwendet.

Warum muss es der SCC55 der Gruppe 14 sein? Denn derzeit gibt es nicht viele Unternehmen, die Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialien in Massenproduktion herstellen können, und Gruppe 14 hat unter ihnen den größten Anteil.

Rising Star: SCC55

Bevor wir SCC55 offiziell vorstellen, wollen wir zunächst kurz verstehen, was für ein Unternehmen Group14 ist.

Silizium steht im Periodensystem der Elemente auf Platz 14, daher kommt auch die „14“ in Gruppe 14. Das 2015 gegründete Unternehmen widmet sich der Umwandlung von Lithium-Ionen-Batterien in Lithium-Silizium-Anodenbatterien, um zur Lösung von Energiespeicherproblemen beizutragen. Es hat sukzessive Investitionen von ATL, SK Materials, Porsche und anderen Unternehmen erhalten, insgesamt mehr als 600 Millionen US-Dollar. Es ist der führende Anbieter in der Lithiumbatteriebranche.

Silizium-Kohlenstoff-Anode ist eine aufstrebende Technologie im In- und Ausland, und viele von ihnen haben sogar sehr erstaunliche Parameter für „PPT“ veröffentlicht. Viele von ihnen befinden sich jedoch immer noch im Labor- oder sogar theoretischen Zustand und sind weit davon entfernt, den Anforderungen der Massenproduktion gerecht zu werden.

Group14 ist fast der erste, der eine Massenproduktion in großem Maßstab erreicht hat, und verfügt auch über beispiellose Vorteile in den Anwendungen.

Die Einzigartigkeit von SCC55 liegt in seinem strukturellen Design. Das Material besteht aus Silizium-Nanopartikeln, die in ein Kohlenstoffgerüst eingebettet sind. Diese Struktur ermöglicht den vollständigen Kontakt der Siliziumpartikel mit dem Elektrolyten und verbessert so die Lade- und Entladeeffizienz der Batterie. Darüber hinaus bietet das Kohlenstoffgerüst eine mechanische Unterstützung, um zu verhindern, dass sich die Siliziumpartikel beim Laden und Entladen ausdehnen und schrumpfen.

Daher ist die Energiedichte der SCC55-Siliziumanodenbatterie 50 % höher als die einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie und die Ladegeschwindigkeit ist schneller und dauert theoretisch nur wenige Minuten.

SCC55-Material lässt sich auch einfach in die Produktion einbauen: Von Knopfbatterien bis hin zu Softpack-Batterien können Hersteller SCC55 nahtlos in jede Produktionslinie für Lithium-Ionen-Batterien, jede Superfabrik oder jedes Batteriedesign integrieren, ohne den Prozess neu anpassen zu müssen.

Im Vergleich zu Konzepten ist die Massenproduktion in großem Maßstab die Grundlage für Rentabilität.

Der zweistufige Prozess von Group14 macht die Skalierung einfach: Zuerst wird Kohlenstoff synthetisiert, um das Kohlenstoffgerüst zu erzeugen, dann wird Silizium im Inneren des Gerüsts erzeugt und die inneren Hohlräume angepasst, wodurch schließlich das erstaunliche SCC55 entsteht. Die spezifischen Prozessdetails wurden von Group14 bereits weltweit zum Patent angemeldet und sind zum Grundstein ihres Geschäftsimperiums geworden.

Group14 hat außerdem einen leicht reproduzierbaren Prozess entwickelt, um Fabriken aller Größen (BAM-Fabriken) zu bauen, wo immer sie benötigt werden. Jedes Modul ist in sich geschlossen und kann 10 GWh Material pro Jahr produzieren. Bei Bedarf können auch beliebig viele Module zu einer BAM-Fabrik beliebiger Größe kombiniert werden.

In Bezug auf die Produktionskapazität beliefert die BAM-1-Fabrik von Group14 in Woodinville, Washington, USA derzeit mehr als 65 Kunden, die 95 % des weltweiten Batterieproduktionsmarktes ausmachen. BAM-Fabriken werden auch in Asien, Europa und anderen Ländern eingesetzt Regionen. Sicher ist, dass die Produktion der BAM-1-Fabrik 10 GWh überschritten hat, was den Bedarf von etwa 100.000 bis 200.000 Elektrofahrzeugen decken kann.

Wenn es reibungslos in Produktion geht, wird die Produktionskapazität der BAM-2-Fabrik in Washington doppelt so hoch sein wie die von BAM-1, und sie wird im Jahr 2024 die weltweit größte Fabrik für fortschrittliche Siliziumanodenbatterietechnologie sein.

Geschrieben am Ende

Die Leute in der Branche machen sich oft lustig: Es ist nicht alles Supply-Chain-Technologie, was ist mit Selbstforschung? Den Ergebnissen zufolge stammen die Zellen mit negativen Silizium-Kohlenstoff-Elektroden dieser Unternehmen alle von ATL und bestehen höchstwahrscheinlich aus SCC55-Material, was der Fall zu sein scheint.

Aber tatsächlich ist die Kommunikation zwischen der Lieferkette und den Herstellern nicht einseitig. Der Einsatz vieler Materialien und Technologien ist oft das Ergebnis der gemeinsamen Anstrengungen beider Parteien. Analog dazu ist die Lieferkettentechnologie mit den Zutaten vergleichbar. Das Endprodukt hängt immer noch von den Kochtechniken und Gewürzen des Küchenchefs ab.

Am Beispiel der in diesem Artikel besprochenen Batterielebensdauer ist die Massenproduktion von Silizium-Kohlenstoff-Anodenbatterien der Schlüssel. Die theoretische Energiedichte von Silizium-Kohlenstoff-Anoden ist viel höher als die von herkömmlichen Graphitanoden, was die Batterielebensdauer erheblich verbessern kann. Das SCC55-Material von Group14 ist derzeit eines der repräsentativsten Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialien mit hervorragender Leistung und Massenproduktionsfähigkeit.

Gleichzeitig haben verschiedene Mobiltelefonhersteller auch den Batterieverpackungsprozess, die Energieverwaltung, die Systemplanung usw. optimiert und Verbrauchern endlich ermöglicht, Mobiltelefone mit hervorragender Akkulaufzeit zu erwerben.

Was die im Titel dieses Artikels genannte Frage betrifft, kann jeder sein eigenes Verständnis haben.

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