文|數(shù)智前線 游勇
編輯|周路平
硅碳負(fù)極材料顯著提升了手機(jī)電池的能量密度，不少手機(jī)已開始邁上6000mAh的臺(tái)階。但在AI時(shí)代，光靠電池能量密度的提升可能并不能滿足用戶對續(xù)航的要求。
不久前，蘋果首次向外界秀出了它在AI領(lǐng)域的布局和肌肉，包括一批AI功能對手機(jī)系統(tǒng)層面的改造，可以跨App協(xié)作，可以調(diào)用個(gè)人的數(shù)據(jù)和情境，同時(shí)與Open AI合作，把ChatGPT引入手機(jī)中。
但與此同時(shí)，AI對手機(jī)的電力消耗也引發(fā)了市場上的擔(dān)憂。馬斯克曾說：“AI技術(shù)的發(fā)展速度前所未見，到了明年人類就沒有足夠的電力來運(yùn)行所有的芯片了。”O(jiān)penAI CEO奧特曼也提到，AI技術(shù)消耗的電力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們預(yù)期。
事實(shí)上，無論是從云端調(diào)用大模型，還是在手機(jī)上直接運(yùn)行參數(shù)量較小的模型，都將加快對電量的消耗。而手機(jī)電池容量這些年并沒有多少增長，提升電池的容量成了和AI應(yīng)用落地一樣關(guān)鍵的事。
從芯片性能到大存儲(chǔ)，從高刷屏幕到手機(jī)影像，每一個(gè)與用戶體驗(yàn)密切相關(guān)的領(lǐng)域，在過去幾年都經(jīng)歷了肉眼可見的變化。而如今，進(jìn)展最緩慢的手機(jī)電池，也將在AI時(shí)代到來前開啟新的內(nèi)卷。
01、手機(jī)電池開始內(nèi)卷
2013年，iPhone5s搭載的A7處理器的晶體管數(shù)量為10億個(gè)。十年后的2023年，iPhone15搭載了最新款的蘋果芯片A17Pro，其晶體管數(shù)量達(dá)到了190億個(gè)。十年時(shí)間，晶體管數(shù)量漲了19倍，摩爾定律并沒有完全失效。
而反觀電池容量，則出現(xiàn)了另一幅景象。iPhone5S的電池容量為1560mAh，而iPhone15標(biāo)準(zhǔn)版的電池容量也只有3349mAh。即便是安卓手機(jī)，前些年的手機(jī)容量普遍在4000-5000mAh徘徊。受限于材料，鋰電池在1991年商用之后，其能量密度一直在緩慢發(fā)展，甚至一度有些停滯。
但情況正在發(fā)生改變。
6月20日，一加手機(jī)又開了一場“散裝”發(fā)布會(huì)。這次是電池，一加與寧德新能源（ATL）聯(lián)合發(fā)布了“冰川電池”，采用了當(dāng)下最熱門的硅碳負(fù)極電池。在冰川電池的加持下，一加Ace3Pro的電池容量首次達(dá)到6100mAh。雖然容量增加了，但體積相比5000mAh的普通石墨電池還減小了3%。
一加冰川電池發(fā)布次日，聯(lián)想手機(jī)也透露，不久后發(fā)布的moto razr 新品將采用最新的電池解決方案，也用的是高電壓硅碳負(fù)極，而聯(lián)想給這個(gè)電池專門起了個(gè)名字——星海電池。據(jù)悉，這款電池的能量密度高達(dá)822Wh/L。
電池的內(nèi)卷在此之前就已經(jīng)開始了，最顯著的表現(xiàn)是，每一家手機(jī)廠商都給自家的手機(jī)電池起了個(gè)大氣磅礴的名字。除了一加的冰川電池，還有小米的金沙江電池、榮耀青海湖電池、華為巨鯨電池及vivo的藍(lán)海電池等。好在手機(jī)品牌有限，不然湖海山川估計(jì)都不夠用。
而這些電池?zé)o一例外，都采用了硅基負(fù)極（包括硅碳和硅氧負(fù)極等）。
早在2019年，小米的概念機(jī)型Max Alpha就搭載了納米硅基電池。一年半后，小米11 Pro成為國內(nèi)首款搭載硅基負(fù)極材料的手機(jī)，小米用的是硅氧負(fù)極，電池容量達(dá)到了5000mAh。很快，華為Mate Xs 2也采用了高硅負(fù)極電池。
2023年，榮耀Magic 5 Pro搭載榮耀發(fā)布的青海湖電池，被認(rèn)為是首款將硅碳負(fù)極電池技術(shù)商用的智能手機(jī)產(chǎn)品。而vivo采用了新一代硅碳負(fù)極材料的藍(lán)海電池，其能量密度比普通石墨負(fù)極電池高出約20%。該電池將由vivo S19系列手機(jī)搭載，首次突破809Wh/L能量密度。
不過，手機(jī)廠商用的硅碳負(fù)極電池背后，幾乎都來自同一家供應(yīng)商——ATL（寧德新能源）。經(jīng)常有人將寧德時(shí)代和寧德新能源搞混淆。寧德新能源和寧德時(shí)代雖然淵源很深，但兩家沒有股權(quán)上的關(guān)系，而且業(yè)務(wù)方向也明顯不同，寧德新能源專注于消費(fèi)電子領(lǐng)域的鋰電池生產(chǎn)，而寧德時(shí)代專注于動(dòng)力電池。
在新的電池技術(shù)的加持下，電池容量紛紛邁上5500mAh的臺(tái)階。除了一加Ace3 Pro做到了6100mAh，搭載青海湖電池的榮耀Magic6Pro電池容量達(dá)到了5600mAh，而vivo的X100Ultra做到了5500mAh，S19也首次突破6000mAh。
手機(jī)續(xù)航也開始進(jìn)入“2”時(shí)代。比如即將發(fā)布的一加Ace3Pro的DOU達(dá)到了2天，vivo旗下也有幾款機(jī)型的DOU達(dá)到了這一數(shù)字。
其實(shí)，DOU（Daily Office Use，日常辦公使用）是各家內(nèi)部的一個(gè)測試指標(biāo)，并沒有統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)，但其邏輯是通過大數(shù)據(jù)，模擬用戶一天的用機(jī)情況。而且，由于用戶群體太復(fù)雜，每個(gè)個(gè)體對續(xù)航的體驗(yàn)和感受會(huì)存在差異。
不過，目前看來，能實(shí)現(xiàn)2天續(xù)航的機(jī)型基本不是直板旗艦機(jī)，要么是中低端機(jī)型，要么是折疊機(jī)型。旗艦機(jī)的電池容量雖然在硅碳負(fù)極的加持下，也在快速提升，但旗艦機(jī)的頂級(jí)配置，往往意味著功耗更大，而且各種大尺寸影像傳感器對手機(jī)空間的占用比較高，所以還沒有直板旗艦的DOU做到2天時(shí)間。
一加中國區(qū)總裁李杰說，硅碳負(fù)極和大容量電池，很快就會(huì)普及。除了一加Ace3Pro將首次搭載冰川電池，一加后續(xù)的項(xiàng)目中會(huì)普及大電池方案。
02、大電池背后的努力
手機(jī)電池能量密度的顯著提升，得益于硅基負(fù)極材料的商用?，F(xiàn)在的手機(jī)鋰電池由正負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜等幾個(gè)部分組成，而正極材料基本是鈷酸鋰，負(fù)極材料是石墨。
但石墨的能量密度已經(jīng)快接近極限，新型的負(fù)極材料成為提升鋰電池容量的關(guān)鍵。硅負(fù)極的比容量（4200 mAh/g）遠(yuǎn)高于石墨（372 mAh/g）的理論比容量。
硅碳負(fù)極其實(shí)不是新鮮詞，早在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始提出了相應(yīng)的概念。但因?yàn)槭仔Ш腕w積膨脹的問題，一直沒能大規(guī)模使用。比如純硅的體積膨脹可達(dá)石墨的三倍以上。
但在幾年前，美國一家硅碳復(fù)合材料公司Group 14，通過CVD氣相沉積，制備出了新的材料，很大程度改善了硅的膨脹問題，并且已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。寧德新能源（ATL）的硅碳負(fù)極材料就來自Group 14。
ATL副總經(jīng)理趙忠利告訴數(shù)智前線，硅碳負(fù)極電池去年才開始量產(chǎn)，主要是這幾年解決了硅膨脹、首效低等問題，“在能夠接受的成本下，讓它的能量密度能夠提升，讓它的膨脹不是那么大?！盇TL正在開足馬力，生產(chǎn)硅碳負(fù)極電池，滿足對手機(jī)廠商的供應(yīng)，“現(xiàn)在行業(yè)在卷，競爭很激烈，速度就變得很快。”
此前，有機(jī)構(gòu)預(yù)測，預(yù)計(jì)到2025年，硅基材料使用比例將由目前的25%增長至40%。
而且，目前的硅碳負(fù)極電池的硅含量大多在6%左右。真鋰研究創(chuàng)始人墨柯告訴數(shù)智前線，隨著多孔碳技術(shù)的成熟，在負(fù)極材料中提升硅含量還有很大潛力。這也意味著，隨著硅含量的增加，電池的能量密度也將繼續(xù)增長。
事實(shí)上，為了提高鋰電池的能量密度，業(yè)內(nèi)一直在做著不同的努力。墨柯告訴數(shù)智前線，除了這次硅碳負(fù)極材料的突破，鋰電池的能量密度在過去經(jīng)歷過幾次大幅增長。比如提升材料的壓實(shí)密度和提高電壓。手機(jī)電池的正極材料鈷酸鋰，最開始的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.7V，如今已經(jīng)普遍提高到了3.8-3.9V，而一加冰川電池已經(jīng)做到了4.53V。
vivo不久前首發(fā)的半固態(tài)電池則是從電解質(zhì)入手。電解質(zhì)是正極和負(fù)極中間的材料，其作用是在正負(fù)極之間傳輸鋰離子。之前都是液態(tài)電解質(zhì)，但液態(tài)電解質(zhì)存在漏液的問題，也存在安全性問題，鋰枝晶會(huì)有正負(fù)極短路的風(fēng)險(xiǎn)。而且在低溫環(huán)境下，續(xù)航也會(huì)降低。
固態(tài)電解質(zhì)可以避免這些問題。不過，目前固態(tài)電解質(zhì)還有很長的路要走，半固態(tài)電池是一個(gè)過渡方案。
除了正負(fù)極材料上下功夫，也開始有些廠商在改進(jìn)電池的封裝工藝。比如，此前有爆料稱，三星Galaxy S24Ultra和蘋果iPhone15都會(huì)采用堆疊式電池技術(shù)，以提高能量密度和延長使用壽命。
傳統(tǒng)的封裝方法用的是卷繞工藝，但堆疊式工藝的優(yōu)勢是能減少空間浪費(fèi)，提升同體積下的電池容量。目前堆疊式電池技術(shù)已經(jīng)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。不過，手機(jī)廠商還未正式發(fā)布相關(guān)電池。
而蘋果從iPhone X開始使用了雙層主板和異形電池設(shè)計(jì)，來為iPhone塞入更大容量的電池。而很多安卓手機(jī)也采用了雙電芯的做法，通過電路串聯(lián)的方式，在一塊電池里放入多個(gè)電芯，提高充電的效率。
03、AI時(shí)代，光靠做大電池可能還不夠
諾基亞最經(jīng)典的功能機(jī)諾基亞1100，在全球共賣出了2.5億部，成為手機(jī)歷史上賣得最多的手機(jī)。而這款手機(jī)采用了BL-5C鋰電池，容量只有850mAh。雖然容量不高，但續(xù)航時(shí)間卻很長，官方待機(jī)時(shí)間達(dá)到了400小時(shí)。
顯然，手機(jī)續(xù)航的長短不僅與電池容量大小相關(guān)，也跟耗電量有非常大的關(guān)系。功能機(jī)基本是打電話、聽歌、發(fā)短信，耗電非常有限。而智能機(jī)的高刷屏幕、芯片功耗不斷提升，用戶使用時(shí)長也在逐年增加，這些因素都使得雖然電池容量在緩慢增長，但趕不上用戶的耗電需求。
曾有數(shù)碼博主對2019年到2021年發(fā)布的近200款手機(jī)進(jìn)行了續(xù)航測試。測試機(jī)型的平均電池容量為從2019年的3912.1mAh到4287.93mAh再到4498.49mAh，都是逐年上漲，但在“5小時(shí)續(xù)航測試”中，平均剩余電量幾乎都沒有變化，都在50%左右。這也說明，雖然電池容量提升了，但屏幕、Soc以及5G等因素的影響下，手機(jī)耗電量也在逐步增加。
所以說，續(xù)航不僅要開源，節(jié)流同樣重要。
iPhone的電池容量一直不高，但續(xù)航并不算太差，其核心是對系統(tǒng)的優(yōu)化和對芯片的調(diào)教。iOS系統(tǒng)有一套墓碑機(jī)制，它允許應(yīng)用在進(jìn)入后臺(tái)后保留其狀態(tài)，然后被“凍結(jié)”，確保它們在不活躍時(shí)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，同時(shí)保留其狀態(tài)以便快速恢復(fù)，以節(jié)省系統(tǒng)資源和電池。
安卓廠商這些年也在系統(tǒng)功耗優(yōu)化方面做了很多努力。比如vivo通過系統(tǒng)輕量化提升了計(jì)算效率，通過不公平調(diào)度將系統(tǒng)資源優(yōu)先分配給前臺(tái)任務(wù)，提升了手機(jī)的續(xù)航體驗(yàn)。
OPPO也自研了“微架構(gòu)超算引擎”，通過CPU調(diào)度平臺(tái)，基于用戶觸覺、視覺、聽覺為導(dǎo)向定制專屬的CPU調(diào)頻調(diào)度算法，降低高負(fù)載應(yīng)用場景下的CPU功耗；支持動(dòng)態(tài)幀率刷新，在不同場景下智能調(diào)整屏幕刷新率，降低高刷帶來的屏幕功耗。
而榮耀的都江堰電源管理系統(tǒng)則是通過硬件芯片+軟件算法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對電量精準(zhǔn)測量、電池使用安全和充放電策略的全方位管理和優(yōu)化。
大家的思路都是通過系統(tǒng)層面的資源優(yōu)化，來減少功耗，提高續(xù)航能力。
但隨著大模型時(shí)代的到來，AI對端側(cè)算力和電力的消耗也已經(jīng)引發(fā)了不少的擔(dān)憂。雖然還沒有機(jī)構(gòu)或者廠商，統(tǒng)計(jì)過大模型在手機(jī)側(cè)的應(yīng)用會(huì)帶來多少電力的消耗，而且現(xiàn)在手機(jī)上的AI能力有限，人們對功耗的感知也不強(qiáng)烈，但隨著AI在手機(jī)系統(tǒng)層面的深度應(yīng)用，必然會(huì)加大人們的續(xù)航焦慮。
Group14 Technologies的首席執(zhí)行官表示，智能手機(jī)新功能的不斷增加驅(qū)動(dòng)了對下一代電池技術(shù)的需求。他說：“如果硅負(fù)極電池能夠提供超過50%的能量密度提升，那么無論設(shè)備的效率是否能同步提升，設(shè)備制造商在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的靈活性都將得到極大的增強(qiáng)?！?/p>
芯片廠商也在努力降低功耗。高通表示，驍龍X Elite芯片在運(yùn)行微軟的Copilot Plus人工智能助手時(shí)，電力消耗僅為傳統(tǒng)芯片的十分之一，但性能輸出卻與之相當(dāng)。
一直以來，電池材料的革新和手機(jī)系統(tǒng)和功能的膨脹是一個(gè)矛盾的兩面，在即將到來的AI手機(jī)時(shí)代，除了電池材料的進(jìn)步，如何降低手機(jī)本身的功耗將是保證體驗(yàn)的一大關(guān)鍵。