Die Konsumelektronik erlebt eine Lithium-Ionen-Batterie-Revolution: Ist es an der Zeit für die endgültige Entfaltung von Silizium-Kohlenstoff-Anoden und Halbfesten Batterien?
Der Kampf um faltbare Smartphone-Bildschirme rückt in eine Phase der "Millimeterpräzision", in der es um die letzten Zentimeter geht.
Mit dem aufeinanderfolgenden Erscheinen des vivo X Fold5 und des Honor Magic V5 haben nicht nur die technologischen Grenzen der großen faltbaren Flaggschiffmodelle neu definiert, sondern auch die Menschen erneut vor den Leistungsgrenzen bei Leichtigkeit und Dünnheit staunen lassen. Insbesondere bei der Batterie, die lange Zeit als "Schwächstes Glied" galt, haben beide Modelle es geschafft, beides zu vereinbaren: Sie sind nicht nur dünner, sondern haben auch eine größere Kapazität.
Genauer gesagt hat das vivo X Fold5 eine äquivalente 6.000-mAh-Blau-Ozean-Batterie in einen faltbaren Körper mit einer Öffnungsdicke von 4,3 mm und einer Faltendicke von 9,2 mm gepackt. Das Honor Magic V5 hingegen hat eine 6.100-mAh-"Qinghai-See-Klingenbatterie" in einen faltbaren Körper mit einer Öffnungsdicke von 4,35 mm und einer Faltendicke von 8,8 mm integriert.
Solche Zahlen wären selbst vor einem Jahr, als die Silizium-Kohlenstoff-Anoden-Batterietechnologie gerade erst eingesetzt wurde, noch unglaublich gewesen. Das gemeinsame Geheimnis hinter diesen Erfolgen liegt in einem neuen Materialtechnologie-Paar: Silizium-Kohlenstoff-Anoden und halbfeste Elektrolyte.
Bild/ vivo
Wir wissen alle, dass der innere Raum von Smartphones ständig von Kameramodulen, Chipmodulen und Kühlstrukturen beansprucht wird. Die Batterie, die am meisten Platz beansprucht, darf aber nicht an Kapazität einbüßen, da dies für die Benutzer ein Problem darstellt. Um also ein Smartphone dünn und leicht zu machen, ohne die Akkulaufzeit zu beeinträchtigen, muss man die Regeln des Spiels auf Materialebene neu schreiben.
Ray Technology hat Mitte 2024 über die von "Silizium-Kohlenstoff-Anoden" ausgelöste Revolution bei Smartphone-Batterien berichtet und vorhergesagt, dass die Silizium-Kohlenstoff-Anoden-Technologie von einigen Mittelklasse-Modellen auf Flaggschiffmodelle ausweiten würde. Niemand hätte jedoch gedacht, dass Honor so schnell bei seinem Magic V5 den Siliziumanteil von 10 % auf 25 % erhöhen und die Energiedichte der Batterie auf 901 Wh/L bringen würde.
Noch überraschender war die Geschwindigkeit, mit der halbfeste Batterien in der Smartphone-Branche eingesetzt werden. Nachdem das vivo X Fold5 bereits in der Vorgängerversion die halbfeste Batterietechnologie eingeführt hatte, setzt es nun die zweite Generation dieser Technologie ein und hat die Energiedichte der Batterie auf 866 Wh/L erhöht.
Diese technischen Begriffe mögen kompliziert klingen, aber der Kern dahinter ist eigentlich recht einfach: Dies ist eine stille Revolution, die von "Materialinnovationen" geleitet wird. Das Ende dieser Revolution könnte möglicherweise nicht nur dünnere und leichtere faltbare Smartphone-Bildschirme sein, sondern die Antwort für die nächste Generation von Konsumelektronikprodukten.
Der "Wendepunkt" der Lithium-Batterien dank Materialverbesserungen
Die Verbesserung der Akkulaufzeit und die größere und dünnere Batterie bei faltbaren Smartphones erscheinen wie ein "Zaubertrick", der über Nacht passiert ist. Die echte Veränderung hat jedoch schon an der Seite der Batteriematerialien begonnen. Um die zugrunde liegende Logik dieser Veränderung zu verstehen, müssen wir uns zunächst mit der Grundstruktur einer Lithium-Batterie vertraut machen.
Eine typische Lithium-Ionen-Batterie besteht hauptsächlich aus drei Elementen:
- Kathodenmaterial: Normalerweise handelt es sich um lithiumhaltige Metalloxide, wie z. B. ternäre (NCM) oder Lithium-Eisenphosphat (LFP), die für die Freisetzung von Lithium-Ionen verantwortlich sind.
- Anodenmaterial: Traditionell wird Graphit verwendet, das die Lithium-Ionen adsorbiert.
- Elektrolyt: Er leitet die Lithium-Ionen zwischen der Kathode und der Anode. Traditionell handelt es sich um eine flüssige Lithium-Salz-Lösung.
Lade- und Entladevorgang einer Lithium-Batterie, Bild/ US Department of Energy
Beim Laden wandern die Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode und lagern sich dort ein. Beim Entladen bewegen sie sich in die entgegengesetzte Richtung und geben Energie frei. Dieser Prozess klingt einfach, aber entscheidend für die Qualität einer Batterie ist, wie viel Strom sie "pro Volumen/ pro Gewicht" speichern kann - also die Energiedichte (Wh/kg oder Wh/L), wie wir es gewöhnlich nennen.
Um die Energiedichte einer Batterie zu erhöhen, ist es wichtig, Elektrodenmaterialien mit höherer Kapazität + eine kompaktere Struktur + ein sichererer Elektrolyt-System zu haben.
In der Vergangenheit wurden fast alle Lithium-Batterien mit Graphit als Anodenmaterial hergestellt. Graphit hat zwar den Vorteil, stabil, sicher und kostengünstig zu sein, aber seine Leistungsfähigkeit ist fast ausgeschöpft. Die theoretische spezifische Kapazität von Graphit beträgt nur 372 mAh/g, was fast die "Grenze" darstellt. Silizium hingegen hat eine theoretische Kapazität von bis zu 4.200 mAh/g, was mehr als zehnmal so viel wie bei Graphit ist.
Aber es gibt auch Herausforderungen. Silizium ist zu "aggressiv". Während des Lade- und Entladevorgangs kann sein Volumen um bis zu 300 % expandieren, was leicht zu Pulverisierung und Kapazitätsverlust führt und die Massenproduktion erschwert. Der Schlüssel für Silizium-Kohlenstoff-Anoden besteht also darin, "ein Kompromiss" zu finden: Nanometergroße Siliziumpartikel werden in einer Kohlenstoff-Grundstruktur eingeschlossen, um eine "hochkapazitive und elastische" Struktur zu bilden.
Beim vivo X Fold5 hat vivo das vierte Generation Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterial eingesetzt und bei gleichbleibender Stabilität einen Siliziumanteil von bis zu 12 % erreicht, was die spezifische Kapazität der Batterie erheblich erhöht. Das Honor Magic V5 geht sogar einen Schritt weiter und hat den Siliziumanteil auf 25 % erhöht, was einen Rekord in der Smartphone-Branche darstellt. Dies ist einer der Hauptgründe, warum diese Modelle in ihrem extrem dünnen und leichten Gehäuse Batterien mit einer Kapazität von über 6.000 mAh unterbringen können.
Bild/ Honor
Aber nicht nur die Verbesserung der Anode, sondern auch die Entwicklung des Elektrolyten sind von entscheidender Bedeutung.
Der traditionelle flüssige Elektrolyt hat zwar eine starke Leitfähigkeit, aber er hat auch Probleme wie schlechte Sicherheit, Leckage und Feuergefahr. Außerdem nimmt er viel Platz ein, was es schwierig macht, das Smartphone dünn und leicht zu gestalten. Der feste Elektrolyt ist sicherer und kann kompakter angeordnet werden, aber seine Leitfähigkeit und die Massenproduktionstechnologie sind noch nicht ausgereift.
Hier kommt der halbfeste Elektrolyt ins Spiel. Er ist eine ideale "Kompromisslösung". Indem er in die traditionelle Flüssigkeit teilweise feste Bestandteile (wie Polymere oder anorganische Oxide) einführt, behält er die Leitfähigkeit bei und verbessert gleichzeitig die Sicherheit und die strukturelle Stützung. Am wichtigsten ist, dass er die Verpackung des gesamten Batteriezellen noch kompakter und dünner machen kann, um Platz für Batterien mit hoher Energiedichte zu schaffen.
Vivo hat beim X Fold5 die zweite Generation der halbfesten Batteriestruktur eingesetzt. Der Elektrolyt erstreckt sich von der Kathode zur Anode und bildet eine "zweipolige feste Schutzstruktur", die es der Batterie ermöglicht, auch bei -30 °C stabil zu entladen. Außerdem hat die Energiedichte der Batterie auf 866 Wh/L erhöht, was einen technologischen Durchbruch bei der Kombination von extremer Kälte, dünner Bauweise und hoher Kapazität darstellt.
Von Autos über Smartphones zu Brillen: Ist der halbfeste Elektrolyt die Zukunft?
In den letzten Monaten hat sich die Silizium-Kohlenstoff-Anoden-Technologie in der Praxis bewährt. Alle führenden Smartphone-Hersteller haben diese Technologie in ihre Modelle integriert und so eine "kollektive Verbesserung" der Smartphone-Batteriekapazität erreicht. Von diesem Gesichtspunkt aus gesehen hat die Silizium-Kohlenstoff-Anoden-Technologie der gesamten Markt gezeigt, dass neue Materialien mit hoher Energiedichte tatsächlich in den extrem begrenzten inneren Raum von Smartphones integriert werden können.
Im Vergleich dazu verläuft die Verbreitungskurve von halbfesten Batterien steiler. Vivo ist derzeit der einzige Hersteller, der halbfeste Batterien in seinen Serienmodellen kontinuierlich einsetzt - von der ersten Generation der Technologie im X Fold3 Pro bis zur zweiten Generation im X Fold5 dieses Jahres. Der kontinuierliche Fortschritt auf diesem Technologieweg war nicht einfach. Aber gleichzeitig wird das Potenzial und der Wert von halbfesten Batterien immer deutlicher.
vivo X Fold5, Bild/ Ray Technology
Sowohl die Silizium-Kohlenstoff-Anoden-Technologie als auch die halbfesten Batterien haben eine gemeinsame "Vorgeschichte": Sie stammen beide aus der Batterietechnologie von Elektromobilen.
Im Bereich der Elektromobilität ist die Forderung nach höherer Energiedichte sehr klar: Um weiter fahren zu können, muss man mehr Strom speichern können. Unternehmen wie CATL, BYD und Tesla haben bereits vor Jahren in die Forschung und Entwicklung von Siliziumbasierten Anoden investiert und auch versucht, feste Bestandteile in die Batteriezellenstruktur einzubauen. Obwohl die Konsumelektronikprodukte viel kleiner sind, ist das Kernproblem dasselbe: Der zur Verfügung stehende Raum ist begrenzt, der Energieverbrauch steigt und die Sorge um die Akkulaufzeit besteht weiterhin.
Wenn also die Smartphone- und die Elektromobilitätsbranche vor den Batteriegrenzen "auf derselben Seite" stehen, ist die Verbreitung neuer Technologien ein logischer Schritt. Aber das Smartphone ist nicht das Ende der Verbreitung. Wenn wir unseren Blick weiter ausweiten, werden wir feststellen, dass immer mehr neue Produktkategorien - wie z. B. intelligente Brillen und Kopfhörer - auf dem Weg zu "hoher Leistung bei geringem Volumen" sind, was gerade die traditionellen flüssigen Lithium-Batterien am schwierigsten bewältigen können.
Nehmen wir intelligenten Brillen als Beispiel. Sie müssen nicht nur leicht sein, sondern auch die Leistung von AI-Berechnungen, Bluetooth-Verbindungen und Kameramodulen unterstützen. Der innere Raum von Brillen ist sehr begrenzt, und da sie am Gesicht getragen werden, werden an die Sicherheit höhere Anforderungen gestellt als bei Smartphones.
Thunderbird V3 AI-Kamera-Brillen, Bild/ Ray Technology
In diesem Kontext bietet die Silizium-Kohlenstoff-Anoden-Technologie zwar eine deutliche Verbesserung der Energiedichte, aber aufgrund von Volumenausdehnung und zyklischer Belastung ist ihre Anwendung in Produkten mit sehr kleiner Größe noch mit gewissen Schwierigkeiten verbunden. Halbfeste Batterien hingegen haben den Vorteil, höherer Sicherheit, stabiler Struktur und Beständigkeit gegen extreme Temperaturen. Sie sind auch besser für leichte Flexibilität und ungewöhnliche Verpackungen geeignet.
Mit anderen Worten, sie eignen sich besser für Produkte wie intelligente Brillen. Dieser Trend ist bereits erkennbar. Bei Gesprächen mit mehreren Herstellern von intelligenten Brillen hat Ray Technology immer wieder von den Herausforderungen bei der Akkulaufzeit und der Batterie gehört. Die Hersteller betrachten halbfeste Batterien als "Schlüssel" und sagen sogar, dass diese Technologie möglicherweise schon im nächsten Jahr in neuen Produkten eingesetzt werden wird.
All dies deutet darauf hin, dass halbfeste Batterien möglicherweise nicht nur die "nächste Version" nach Smartphones sein werden, sondern der neue Ausgangspunkt für die Verbesserung aller Konsumelektronikprodukte. So wie die Batterietechnologie von Autos auf Smartphones übergegangen ist, wird sie auch in Zukunft von Smartphones auf kleinere und präzisere Produkte ausweiten.
Abschluss
Während die Leistung eines Geräts von seinem Chip bestimmt wird, entscheidet die Batterie, wie lange und wie weit es funktionieren kann. In den letzten Jahren haben wir enorme Fortschritte bei Smartphone-Kameras, Bildschirmen und KI-Fähigkeiten erlebt, aber die Akkulaufzeit war immer wie eine vernachlässigte Variable, die zwischen "ausreichend" und "nicht ausreichend" schwankte.
Jetzt, mit der zunehmenden Reife und Massenproduktion der Silizium-Kohlenstoff-Anoden- und halbfesten Batterietechnologien, wird diese Variable neu definiert. Sowohl für intelligente Brillen, KI-Kopfhörer als auch für andere Rechengeräte können diese Veränderungen der Batterie zu einer deutlichen Verbesserung des Benutzererlebnisses führen. Für die Benutzer bedeutet dies, dass ihre persönlichen Geräte langlebiger, zuverlässiger und besser an den Rhythmus des täglichen Lebens angepasst werden.
Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Account "Ray Technology".