硅碳负极材料显著提升了手机电池的能量密度，不少手机已开始迈上6000mAh的台阶。但在AI时代，光靠电池能量密度的提升可能并不能满足用户对续航的要求。
文｜游勇
编｜周路平
不久前，苹果首次向外界秀出了它在AI领域的布局和肌肉，包括一批AI功能对手机系统层面的改造，可以跨App协作，可以调用个人的数据和情境，同时与Open AI合作，把ChatGPT引入手机中。
但与此同时，AI对手机的电力消耗也引发了市场上的担忧。马斯克曾说：“AI技术的发展速度前所未见，到了明年人类就没有足够的电力来运行所有的芯片了。”OpenAI CEO奥特曼也提到，AI技术消耗的电力将远远超出人们预期。
事实上，无论是从云端调用大模型，还是在手机上直接运行参数量较小的模型，都将加快对电量的消耗。而手机电池容量这些年并没有多少增长，提升电池的容量成了和AI应用落地一样关键的事。
从芯片性能到大存储，从高刷屏幕到手机影像，每一个与用户体验密切相关的领域，在过去几年都经历了肉眼可见的变化。而如今，进展最缓慢的手机电池，也将在AI时代到来前开启新的内卷。
01
手机电池开始内卷
2013年，iPhone5s搭载的A7处理器的晶体管数量为10亿个。十年后的2023年，iPhone15搭载了最新款的苹果芯片A17Pro，其晶体管数量达到了190亿个。十年时间，晶体管数量涨了19倍，摩尔定律并没有完全失效。
而反观电池容量，则出现了另一幅景象。iPhone5S的电池容量为1560mAh，而iPhone15标准版的电池容量也只有3349mAh。即便是安卓手机，前些年的手机容量普遍在4000-5000mAh徘徊。受限于材料，锂电池在1991年商用之后，其能量密度一直在缓慢发展，甚至一度有些停滞。
但情况正在发生改变。
6月20日，一加手机又开了一场“散装”发布会。这次是电池，一加与宁德新能源（ATL）联合发布了“冰川电池”，采用了当下最热门的硅碳负极电池。在冰川电池的加持下，一加Ace3Pro的电池容量首次达到6100mAh。虽然容量增加了，但体积相比5000mAh的普通石墨电池还减小了3%。
一加冰川电池发布次日，联想手机也透露，不久后发布的moto razr 新品将采用最新的电池解决方案，也用的是高电压硅碳负极，而联想给这个电池专门起了个名字——星海电池。据悉，这款电池的能量密度高达822Wh/L。
电池的内卷在此之前就已经开始了，最显著的表现是，每一家手机厂商都给自家的手机电池起了个大气磅礴的名字。除了一加的冰川电池，还有小米的金沙江电池、荣耀青海湖电池、华为巨鲸电池及vivo的蓝海电池等。好在手机品牌有限，不然湖海山川估计都不够用。
而这些电池无一例外，都采用了硅基负极（包括硅碳和硅氧负极等）。
早在2019年，小米的概念机型Max Alpha就搭载了纳米硅基电池。一年半后，小米11 Pro成为国内首款搭载硅基负极材料的手机，小米用的是硅氧负极，电池容量达到了5000mAh。很快，华为Mate Xs 2也采用了高硅负极电池。
2023年，荣耀Magic 5 Pro搭载荣耀发布的青海湖电池，被认为是首款将硅碳负极电池技术商用的智能手机产品。而vivo采用了新一代硅碳负极材料的蓝海电池，其能量密度比普通石墨负极电池高出约20%。该电池将由vivo S19系列手机搭载，首次突破809Wh/L能量密度。
不过，手机厂商用的硅碳负极电池背后，几乎都来自同一家供应商——ATL（宁德新能源）。经常有人将宁德时代和宁德新能源搞混淆。宁德新能源和宁德时代虽然渊源很深，但两家没有股权上的关系，而且业务方向也明显不同，宁德新能源专注于消费电子领域的锂电池生产，而宁德时代专注于动力电池。
在新的电池技术的加持下，电池容量纷纷迈上5500mAh的台阶。除了一加Ace3 Pro做到了6100mAh，搭载青海湖电池的荣耀Magic6Pro电池容量达到了5600mAh，而vivo的X100Ultra做到了5500mAh，S19也首次突破6000mAh。
手机续航也开始进入“2”时代。比如即将发布的一加Ace3Pro的DOU达到了2天，vivo旗下也有几款机型的DOU达到了这一数字。
其实，DOU（Daily Office Use，日常办公使用）是各家内部的一个测试指标，并没有统一的测试标准，但其逻辑是通过大数据，模拟用户一天的用机情况。而且，由于用户群体太复杂，每个个体对续航的体验和感受会存在差异。
不过，目前看来，能实现2天续航的机型基本不是直板旗舰机，要么是中低端机型，要么是折叠机型。旗舰机的电池容量虽然在硅碳负极的加持下，也在快速提升，但旗舰机的顶级配置，往往意味着功耗更大，而且各种大尺寸影像传感器对手机空间的占用比较高，所以还没有直板旗舰的DOU做到2天时间。
一加中国区总裁李杰说，硅碳负极和大容量电池，很快就会普及。除了一加Ace3Pro将首次搭载冰川电池，一加后续的项目中会普及大电池方案。
02
大电池背后的努力
手机电池能量密度的显著提升，得益于硅基负极材料的商用。现在的手机锂电池由正负极、电解质和隔膜等几个部分组成，而正极材料基本是钴酸锂，负极材料是石墨。
但石墨的能量密度已经快接近极限，新型的负极材料成为提升锂电池容量的关键。硅负极的比容量（4200 mAh/g）远高于石墨（372 mAh/g）的理论比容量。
硅碳负极其实不是新鲜词，早在上世纪70年代就已经开始提出了相应的概念。但因为首效和体积膨胀的问题，一直没能大规模使用。比如纯硅的体积膨胀可达石墨的三倍以上。
但在几年前，美国一家硅碳复合材料公司Group 14，通过CVD气相沉积，制备出了新的材料，很大程度改善了硅的膨胀问题，并且已经成功实现产业化。宁德新能源（ATL）的硅碳负极材料就来自Group 14。
ATL副总经理赵忠利告诉数智前线，硅碳负极电池去年才开始量产，主要是这几年解决了硅膨胀、首效低等问题，“在能够接受的成本下，让它的能量密度能够提升，让它的膨胀不是那么大。”ATL正在开足马力，生产硅碳负极电池，满足对手机厂商的供应，“现在行业在卷，竞争很激烈，速度就变得很快。”
此前，有机构预测，预计到2025年，硅基材料使用比例将由目前的25%增长至40%。
而且，目前的硅碳负极电池的硅含量大多在6%左右。真锂研究创始人墨柯告诉数智前线，随着多孔碳技术的成熟，在负极材料中提升硅含量还有很大潜力。这也意味着，随着硅含量的增加，电池的能量密度也将继续增长。
事实上，为了提高锂电池的能量密度，业内一直在做着不同的努力。墨柯告诉数智前线，除了这次硅碳负极材料的突破，锂电池的能量密度在过去经历过几次大幅增长。比如提升材料的压实密度和提高电压。手机电池的正极材料钴酸锂，最开始的标准电压是3.7V，如今已经普遍提高到了3.8-3.9V，而一加冰川电池已经做到了4.53V。
vivo不久前首发的半固态电池则是从电解质入手。电解质是正极和负极中间的材料，其作用是在正负极之间传输锂离子。之前都是液态电解质，但液态电解质存在漏液的问题，也存在安全性问题，锂枝晶会有正负极短路的风险。而且在低温环境下，续航也会降低。
固态电解质可以避免这些问题。不过，目前固态电解质还有很长的路要走，半固态电池是一个过渡方案。
除了正负极材料上下功夫，也开始有些厂商在改进电池的封装工艺。比如，此前有爆料称，三星Galaxy S24Ultra和苹果iPhone15都会采用堆叠式电池技术，以提高能量密度和延长使用寿命。
传统的封装方法用的是卷绕工艺，但堆叠式工艺的优势是能减少空间浪费，提升同体积下的电池容量。目前堆叠式电池技术已经在电动汽车领域得到了广泛应用。不过，手机厂商还未正式发布相关电池。
而苹果从iPhone X开始使用了双层主板和异形电池设计，来为iPhone塞入更大容量的电池。而很多安卓手机也采用了双电芯的做法，通过电路串联的方式，在一块电池里放入多个电芯，提高充电的效率。
03
AI时代，光靠做大电池可能还不够
诺基亚最经典的功能机诺基亚1100，在全球共卖出了2.5亿部，成为手机历史上卖得最多的手机。而这款手机采用了BL-5C锂电池，容量只有850mAh。虽然容量不高，但续航时间却很长，官方待机时间达到了400小时。
显然，手机续航的长短不仅与电池容量大小相关，也跟耗电量有非常大的关系。功能机基本是打电话、听歌、发短信，耗电非常有限。而智能机的高刷屏幕、芯片功耗不断提升，用户使用时长也在逐年增加，这些因素都使得虽然电池容量在缓慢增长，但赶不上用户的耗电需求。
曾有数码博主对2019年到2021年发布的近200款手机进行了续航测试。测试机型的平均电池容量为从2019年的3912.1mAh到4287.93mAh再到4498.49mAh，都是逐年上涨，但在“5小时续航测试”中，平均剩余电量几乎都没有变化，都在50%左右。这也说明，虽然电池容量提升了，但屏幕、Soc以及5G等因素的影响下，手机耗电量也在逐步增加。
所以说，续航不仅要开源，节流同样重要。
iPhone的电池容量一直不高，但续航并不算太差，其核心是对系统的优化和对芯片的调教。iOS系统有一套墓碑机制，它允许应用在进入后台后保留其状态，然后被“冻结”，确保它们在不活跃时进入低功耗状态，同时保留其状态以便快速恢复，以节省系统资源和电池。
安卓厂商这些年也在系统功耗优化方面做了很多努力。比如vivo通过系统轻量化提升了计算效率，通过不公平调度将系统资源优先分配给前台任务，提升了手机的续航体验。
OPPO也自研了“微架构超算引擎”，通过CPU调度平台，基于用户触觉、视觉、听觉为导向定制专属的CPU调频调度算法，降低高负载应用场景下的CPU功耗；支持动态帧率刷新，在不同场景下智能调整屏幕刷新率，降低高刷带来的屏幕功耗。
而荣耀的都江堰电源管理系统则是通过硬件芯片+软件算法结合，实现了对电量精准测量、电池使用安全和充放电策略的全方位管理和优化。
大家的思路都是通过系统层面的资源优化，来减少功耗，提高续航能力。
但随着大模型时代的到来，AI对端侧算力和电力的消耗也已经引发了不少的担忧。虽然还没有机构或者厂商，统计过大模型在手机侧的应用会带来多少电力的消耗，而且现在手机上的AI能力有限，人们对功耗的感知也不强烈，但随着AI在手机系统层面的深度应用，必然会加大人们的续航焦虑。
Group14 Technologies的首席执行官表示，智能手机新功能的不断增加驱动了对下一代电池技术的需求。他说：“如果硅负极电池能够提供超过50%的能量密度提升，那么无论设备的效率是否能同步提升，设备制造商在系统设计上的灵活性都将得到极大的增强。”
芯片厂商也在努力降低功耗。高通表示，骁龙X Elite芯片在运行微软的Copilot Plus人工智能助手时，电力消耗仅为传统芯片的十分之一，但性能输出却与之相当。
一直以来，电池材料的革新和手机系统和功能的膨胀是一个矛盾的两面，在即将到来的AI手机时代，除了电池材料的进步，如何降低手机本身的功耗将是保证体验的一大关键。