誰もが自分の携帯電話に、より大きくて長持ちするバッテリーを求めており、一部の企業は革新的なシリコンカーボンバッテリーでそれを実現しています。しかし、すべての携帯電話メーカーがこれに賛同しているわけではなく、それにはいくつかの理由があります。
シリコンカーボン電池を理解するには、少しの間化学の授業に戻る必要があります。シリコンカーボン電池は、特に充電中にエネルギーが蓄えられる負極であるアノードをターゲットとした、リチウムイオン電池の化学における根本的な変化を表しています。現在携帯電話に内蔵されている従来のリチウムイオン電池では、負極はほぼ完全にグラファイトでできています。グラファイトは安定していて信頼性がありますが、化学的な制限があります。リチウムイオンを 1 つだけ保持するには 6 つの炭素原子が必要です。
シリコン - カーボン技術は、アノード混合物にシリコンを導入することにより、この比率を破壊します。シリコンは信じられないほど強力な貯蔵材料であり、理論的には単一のシリコン原子あたり最大 4 つのリチウムイオンと結合することができます。この原子効率は、シリコンが理論的には重量でグラファイトの最大 10 倍のエネルギーを蓄えることができることを意味します。
バッテリーの不安に別れを告げましょう。
では、シリコンの方がはるかに優れているのに、なぜこれまでずっとシリコンを使用しなかったのでしょうか?そうですね、シリコンは揮発性が高く、バッテリー環境では物理的に不安定です。そして、リチウムイオンを吸収すると劇的に膨張し、元の体積の最大 300% まで膨らみます。この膨張により、標準的なバッテリー ケースに亀裂が入り、わずか数回の充電サイクルで内部構造が破壊されます。
これを解決するために、私たちは純粋なシリコンを使用しません。その代わりに、メーカーはナノサイズのシリコン粒子を堅牢な炭素マトリックス内に分散させます。基本的には、炭素骨格にいくらかのシリコンが混合されています。炭素は導電性骨格とシリコンの膨張を含む物理的バッファーを提供し、シリコンは超高密度のエネルギー貯蔵庫として機能します。
結果として得られるセルは、電圧や一般的な使用方法の点では標準のリチウムイオン電池とほぼ同じように動作しますが、内部化学反応の密度が大幅に高くなります。これにより、メーカーは、以前の製品よりも物理的に小さいまたは薄いセルに、より高いミリアンペア時 (mAh) の容量を詰め込むことができます。かなりクールです。
シリコンカーボン電池の主な利点は、エネルギー密度が大幅に高いことです。デバイスはますます強力になっていますが、ユーザーはより厚い携帯電話を受け入れることを拒否しており、すべてのデバイスに電力を供給するには高品質のバッテリーが必要です。グラファイトアノードをシリコンカーボン複合材料に置き換えることにより、メーカーはバッテリーのエネルギー密度を約 20% ～ 50% 高めることができます。
これにより、2 つの異なる設計の機会が生まれます。まず、メーカーは現在のバッテリーの物理的なサイズを維持しながら、容量を大幅に増やすことができます。つまり、1 ミリメートルも体積を増やすことなく、標準的な 5,000 mAh のセルを 6,000 mAh のユニットに変えることができます。また、この技術により、標準的な容量を維持しながら、より薄いバッテリーを作成することも可能になります。これは、デバイスの厚さが重要な競争要素である折りたたみ式スマートフォン市場にとって大きな変革となります。シリコンカーボンバッテリーは、デバイスの折り畳み式の半分の中に収まるように超薄型に作ることができ、同時に丸 1 日使用するのに十分な電力を供給できます。これは、標準的なグラファイト セルの密度が低い場合には物理的に不可能です。
これまでに確認した最も一般的な使用例は前者です。私は最近、ニュース セクションで、最大 8,000 mAh の非常識なバッテリーを搭載した、アジアで発売された多数の携帯電話を取り上げました。これらの利点は主に、ここで使用されているバッテリーがシリコンカーボンバッテリーであるために可能になります。
これらのバッテリーは、密度を超えて、シリコンの電気化学的特性と炭素マトリックスの導電性により、高速充電能力の向上を示すことがよくあります。シリコン中へのリチウムイオンの移動は、グラファイト中への挿入よりも迅速である可能性があり、携帯電話を壁のコンセントに接続する必要がある時間が短縮される可能性があります。
シリコンカーボン技術の明らかな利点にもかかわらず、アップルやサムスンなどの業界大手は、HonorやVivoなどの中国の競合他社と比べて、自社の主力スマートフォンへのシリコンカーボン技術の採用が著しく遅れている。このためらいの主な理由は、おそらく長期的な信頼性と物理的安全性に関するリスク回避です。
炭素マトリックスはシリコンの膨張を緩和しますが、シリコンの膨張を完全に排除するわけではありません。シリコンカーボンアノードは、充電中にグラファイトアノードよりも大幅に膨張します。世界中で数億個のユニットを出荷している企業にとって、バッテリー膨張のリスクは壊滅的な PR 災害や巨額のリコール費用につながる可能性があります。特にサムスンは、Galaxy Note 7の事件後もバッテリーの革新に関して極めて保守的な姿勢を保っており、最先端の容量よりも実績のある安定性を優先している。それから何年も経ちましたが、それでも、これ以上の失敗は許されないのです。
非常に最先端なので、バッテリーの寿命が長くなります。
サイクル寿命 (バッテリーが劣化するまでに充電および放電できる回数) も大きなハードルです。シリコン粒子の繰り返しの膨張と収縮によって引き起こされる物理的ストレスにより、アノード材料が徐々に粉砕され、従来のグラファイトセルよりも早くバッテリー容量が低下し、バッテリー寿命が失われる可能性があります。小規模メーカーは、見出しを引く仕様と引き換えに、わずかに早く劣化するバッテリーを受け入れるかもしれませんが、Apple と Samsung は通常、高い再販価値と長いソフトウェア サポート期間をサポートするために、自社のデバイスが数年間最高のパフォーマンスを維持することを目指しています。
製造規模も重要な役割を果たします。シリコンカーボンアノードの製造には複雑なナノテクノロジープロセスが必要ですが、現在、標準的なグラファイトアノードよりも高価であり、規模を拡大するのが困難です。年間生産される iPhone または Galaxy S デバイスの量に十分な高品質のシリコンカーボン素材を調達することは、サプライチェーンが解決し始めたばかりの物流上の課題です。
これらのリーダーが、シリコン炭素電池が現在の技術と同じ数年の寿命と安全マージンを大規模で提供できることを保証できるまでは、最適化されたグラファイトシステムに依存し続ける可能性が高く、当面はシリコンの実験をこれらの小規模OEMに任せることになるでしょう。ただし、最終的にはこれらのバッテリーを主流の携帯電話に搭載したいと考えており、最終的にはそうなることを願っています。