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而默默无闻地为那么多高科技元件提供运行动力的电池，却难以突破自身的边界，能量密度也难以提高。人们另辟蹊径，提高充电功率，缩短电池充电时间，只能缓解容量不足的尴尬，无法解决容量密度低的根本问题。
石墨负极的锂电池使用多年，经过多年的发展，容量已经到了瓶颈。为了获得更长的续航时间，只能通过简单粗暴的“增大电池尺寸”来改善。如今追求轻、薄、手感的旗舰机中电池成为木桶中最大的短板。
谁能站出来？
2021年3月29日-30日，小米举行了两场春季新品发布会，包括小米11 Pro、小米11 Ultra、小米折叠屏手机等。小米在全球推出硅氧负极电池，并在小米165438上成功量产。
电池原理
电池主要由三部分组成:正极、负极和隔膜。它们通过卷绕和堆叠组装，填充电解液并密封在钢壳或软包装中，成为普通电池。电动车一般用钢壳电池，数码产品一般用软包装。
充电过程中，通过极耳向电池内部施加外部电压，正极锂离子释放电子，电子在电场的作用下通过电解液中的隔膜向负极迁移，嵌入负极的石墨活性材料中，电子被接收，完成充电和储能过程。当外部负载需要放电时，锂离子从负极释放电子并脱嵌，通过隔膜迁移到正极，嵌入正极，电子被正极活性物质接收，从而完成电能释放。
传统石墨阳极电池的瓶颈
锂电池的正极材料有很多不同的配方，如钴酸锂、镍钴锰、镍钴铝等，这里暂时不讨论正极。负极材料一般采用石墨配方，容易获得，价格低廉，性能良好，所以几十年来一直将石墨负极作为电池负极的主要材料。
反复循环后，石墨负极电池结构开始不稳定，部分锂离子无法嵌入负极，只能停留在负极表面，逐渐积累产生锂沉淀。可利用的和迁移的锂离子变得越来越少，容量迅速下降。严重时，锂析出会变成锂枝晶，刺破隔膜，导致电池短路、漏液甚至爆炸。容量方面，传统石墨阳极锂电池的能量密度理论上限约为372 mAh/g，目前技术已接近理论值，难以突破。寻求新的材料配方势在必行。
小米每一代旗舰电池的发展
历代小米旗舰系列手机电池容量的发展，从上面的柱状图可以看出，小米旗舰机型的电池容量基本上是随着时间的推移逐渐增大的，但是在达到4000mAh之后，容量增长开始放缓，最高的是小米10的4780mAh。提高容量密度的主要途径是增加电池体积，说明传统石墨阳极电池的能量密度已经到了瓶颈。
小米历代旗舰手机的快充发展可以看出，小米9前面的18W快充保持了很长时间。小米5发布于2015，小米8发布于2018，充满电用了三年。小米快充在2019的小米9及以后的机型上有了明显的提升。也可以看出小米开始在快充技术上发力。功率最高的是小米10极速纪念版，搭载石墨烯基蝶形电池，功率达到120W，性能提升被能量密度延缓。
硅负极新材料电池的挑战
将硅材料应用于电池的负电极需要面对几个问题。第一，锂离子充电时硅颗粒会膨胀，最大膨胀可达四倍，导致结构坍塌，电极材料脱落。第二，硅本身就是半导体材料。与常用的石墨负极相比，导电性差很多，锂离子脱嵌不可逆，也影响电池容量。
2019特斯拉介绍，特斯拉将研发一种硅阳极电池，通过在硅原料上涂覆一层特殊的涂层来稳定硅结构，避免充电膨胀造成的结构损伤。在新能源汽车的成本比例中，电池组占了非常高的比例。特斯拉使用硅阳极电池主要用于大幅降低成本和增加产能，快速抢占新能源汽车市场。小米将硅负极电池应用于数码配件，还需要解决硅膨胀的物理特性，才能量产。
小米首发硅氧负极电池
小米11 Ultra并不是第一款使用硅负极电池的小米手机。早在2019年9月，小米概念机MIX Alpha就采用了纳米硅碳负极电池，并在4050mAh容量的电池上实现了40W有线闪充。虽然MIX Alpha只是一个还没有量产的技术验证机型，但是也可以看出小米在2019甚至更早的时候就已经开始探索新的电池负极材料了。
与第一代硅碳负极相比，这次小米11 Ultra采用了更加成熟稳定的硅氧负极电池，属于小米第二代硅负极电池技术。通过掺杂硅来补充锂，将纳米氧化硅用于负极，与第一代硅碳材料相比，具有更稳定的结构。硅氧负极可以有效避免充放电过程中硅颗粒膨胀导致的开裂和粉化，解决硅负极电池的使用寿命问题，让这种新材料电池不仅仅停留在概念上，更要进入实际量产，造福消费者。
狭窄空间中的容量提高
目前旗舰机型的电池容量一般在4000-4500之间，但入门级产品经常看到5000以上的超大电池。为什么旗舰机型的电池容量没有入门级机器大？因为入门级机型的摄像头模块占用空间少，处理器性能释放温和，不需要投入大规模的散热处理，入门级用户对外观和手感设计也没有太多追求，所以入门级机器相对有更多的空间放入大电池。
旗舰机型不一样。有看过拆解的朋友会知道，旗舰机型在性能方面一般都是备货充足的。图像部分的摄像头模块占用了巨大的空间，主板被挤到只有一点空间。强大的处理器还得放在蒸汽室、热管、石墨导热膏等散热模块里，还得给无线充电线圈预留空间，旗舰机型电池没法放大。
传统石墨负极材料制成的锂电池能量密度理论上限为372mAh/g，但目前工艺已接近理论值，难以突破。硅负极材料的能量密度上限高达4200mAh/g，是传统石墨负极材料的10倍，在同样的空间内可以放入更多的容量。
小米11 Ultra内部结构为传统三段式设计，机身厚度仅为8.38mm，电池仓空间也没有特别增加。在这么小的空间里放一块5000mAh的大容量电池，说明硅氧负极电池确实可以提高能量密度。虽然硅阳极电池的能量密度是石墨电池的十倍，但小米11 Ultra作为首款搭载硅氧阳极电池的量产数码产品，并没有充分发挥硅氧阳极电池的强度，而是做了非常谨慎的处理。相信在更多产品搭载硅氧阳极电池后，小米会进一步提高能量密度。
67W高功率快速充电
电池、寿命、容量、性能三大谜题。在解决了寿命稳定性和提升容量的问题之后，最后一个难题就是性能:快充。如前所述，电池由卷绕和堆叠制成，极耳连接到外部。凸耳就像一条路。传统电池采用双向单车道设计，所有车辆都在这条路上通行。速度被限制在一条车道上，只能低效前进。即使汽车加速，也会造成不稳定。简单来说，传统的电池吊耳只能慢慢充电，大电流会发热，很难提高充电功率。
小米11 Ultra电池采用MTW多极耳技术。多达20个极耳就像对面的10车道，大大增加了通行效率，大大降低了内阻，可以支持大电流充电，降低温升。
小米11 Ultra充电器的型号为MDY-12-ES，输出功率为67W。是小米私人快充系统中常见的魔变A口PD充电器，支持5v 3a/9V3a/11v 6.1A/20v 3.25 A。
小米11 Ultra采用ATL单电池结构，有线充电部分采用2: 1电荷泵充电技术，通过电压减半，电流翻倍的方式直接充电。按照电池电压4.45V计算，实际充电器输出为8.9V6.1A，电池端直接充电功率将达到4.45V12.2A，根据官方数据，小米11 Ultra仅需36分钟即可充满100%，无论是充满还是碎片都非常快。
计费前端网络综述
石墨负极电池技术已经达到瓶颈，能量密度难以提高。只能通过增加体积来增加容量，这就限制了所有电气设备的设计、使用和体验。比如手机，要么薄而轻，失去大容量电池，要么做得像砖头一样厚，提高续航。
小米成功攻克新材料电池技术，全球首款硅氧负极电池。纳米硅氧负极材料保证其结构稳定，使用寿命长。随着能量密度的提升，小米11 Ultra可以在8.38mm的机身厚度内装入容量高达5000mAh的大电池，MTW 20 tab技术让其支持67W电荷泵的高压直充。这意味着小米掌握了手机锂电池的核心技术，补上了木桶的最大短板，并将带动整个行业全面进入新材料电池的研发。
小米在春季新品发布会上宣布进军新能源汽车领域。拥有硅氧负极电池的技术储备将成为小米的杀手锏，因为电池组是新能源汽车成本的大头，硅负极电池容量大、成本低、性能高，完美契合新能源汽车行业。相信小米硅负极电池会颠覆现有的新能源汽车格局，改变整个生态。
本文论述了小米在新材料电池领域的突破。下篇将继续讨论小米在无线充电方面的黑科技，以及如何实现67W无线充电的商业量产。