Denne nye batteriteknologien er helt populær—så hvorfor vil ikke Apple og Samsung bruke den?

Alle ønsker større og mer langvarige batterier i telefonene sine, og noen selskaper leverer dette med innovative silisium-karbon-batterier. Men ikke alle telefonprodusenter er med på dette, og det er noen grunner til det.

Hva er silisium-karbon-batterier?

For å forstå silisium-karbon-batterier, må vi gå tilbake til kjemitimen et øyeblikk. Silisium-karbon-batterier representerer et grunnleggende skifte i kjemien til litium-ion-celler, med spesielt fokus på anoden—den negative elektroden hvor energi lagres under lading. I tradisjonelle litium-ion-batterier, som er de vi har i telefonene våre nå, er anoden nesten helt laget av grafitt. Grafitt er stabilt og pålitelig, men det har en kjemisk begrensning: det krever seks karbonatomer for å holde på bare ett litiumion.

Silikon-karbon-teknologi forstyrrer dette forholdet ved å introdusere silikon i anodemiksen. Silikon er et utrolig potent lagringsmateriale, teoretisk i stand til å binde seg med opptil fire litiumioner per enkelt silisiumatom. Denne atom-effektiviteten betyr at silikon teoretisk kan lagre opptil ti ganger mer energi etter vekt enn grafitt.

Så hvorfor har vi ikke brukt silisium hele denne tiden, hvis det er så mye bedre? Vel, silisium er ustabilt og fysisk uholdbart i et batterimiljø. Og når det absorberer litiumioner, utvider det seg dramatisk—det kan svelle opp til 300 % av sitt opprinnelige volum. Denne utvidelsen ville sprekke et standard batterihus og ødelegge den indre strukturen etter bare noen få lade-sykluser.

For å løse dette bruker vi ikke ren silisium; i stedet sprer produsentene nano-størrelse silisiumpartikler i en robust karbonmatrise. I utgangspunktet et karbonskjelett med litt silisium blandet inn. Karbonet gir et ledende skjelett og en fysisk buffer som begrenser silisiumets utvidelse, mens silisiumet fungerer som et super-tett energilager.

Den resulterende cellen fungerer omtrent som et standard litiumionbatteri når det gjelder spenning og generell bruk, men med en betydelig tettere intern kjemi. Den lar produsenter pakke en høyere milliampere-time (mAh) kapasitet inn i en celle som fysisk er mindre eller tynnere enn sine forgjengere. Ganske kult.

Hvorfor er de bedre?

Den viktigste fordelen med silisium-karbon-batterier er deres betydelig høyere energitetthet. Enheter blir kraftigere, men brukerne nekter å akseptere tykkere telefoner, og vi trenger et godt batteri for å drive alt dette. Ved å erstatte en grafittanode med et silisium-karbon-kompositt, kan produsentene øke energitettheten i et batteri med omtrent 20 % til 50 %.

Dette skaper to distinkte designmuligheter. For det første kan en produsent opprettholde den nåværende fysiske størrelsen på et batteri, men betydelig øke kapasiteten—og gjøre en standard 5 000 mAh-celle om til en 6 000 mAh-enhet uten å legge til et eneste millimeter med volum. Denne teknologien gjør det også mulig å lage mye tynnere batterier som beholder standardkapasiteter. Dette er en revolusjon for markedet for sammenleggbare smarttelefoner, der enhetens tykkelse er en kritisk konkurransefaktor. Et silikon-karbon-batteri kan gjøres ultratynt for å passe inne i de sammenleggbare delene av en enhet, samtidig som det gir nok strøm til en hel dags bruk, noe som ville vært fysisk umulig med den lavere tettheten til standard grafittceller.

Det vanligste bruksområdet vi har sett så langt er det førstnevnte. Jeg dekket nylig for nyhetsseksjonen vår en rekke telefoner som ble lansert i Asia med enorme batterier på opptil hele 8 000 mAh. Disse gevinstene er hovedsakelig mulig takket være at batteriene som brukes her er silisium-karbon-batterier.

Utover tetthet, viser disse batteriene ofte forbedrede hurtigladeegenskaper på grunn av de elektrokjemiske egenskapene til silisium og den ledende naturen til karbonmatrisen. Bevegelsen av litiumioner inn i silisium kan være raskere enn interkalering i grafitt, noe som potensielt kan redusere tiden en telefon må være tilkoblet en veggkontakt.

Hvorfor bruker ikke de store aktørene dem?

Til tross for de klare fordelene med silisium-karbon-teknologi, har industrigiganter som Apple og Samsung vært merkbart trege med å ta den i bruk i sine flaggskip-smarttelefoner sammenlignet med kinesiske konkurrenter som Honor eller Vivo. Hovedårsaken til denne nølingen er mest sannsynlig risikovilje når det gjelder langsiktig pålitelighet og fysisk sikkerhet.

Mens karbonmatrisen demper silisiums utvidelse, fjerner den den ikke helt. Silisium-karbonanoder sveller fortsatt betydelig mer enn grafittanoder under lading. For selskaper som sender hundrevis av millioner enheter globalt, kan enhver risiko for batterioppblåsing føre til katastrofale PR-trøbbel og enorme tilbakekallingskostnader. Samsung, spesielt, forblir ekstremt konservativ med batteriinnovasjon etter Galaxy Note 7-episodene, og prioriterer bevist stabilitet fremfor banebrytende kapasitet. Det har gått år, men de har fortsatt virkelig, virkelig ikke råd til en ny tabb.

Sykluslevetid—antallet ganger et batteri kan lades og utlades før det degraderes—er en annen stor utfordring. Den fysiske belastningen som forårsakes av gjentatt utvidelse og sammentrekning av silisiumpartikler kan føre til gradvis pulverisering av anodematerialet, noe som får batterikapasiteten til å synke raskere enn en tradisjonell grafittcelle, og dermed mister batteriet levetid. Mens mindre produsenter kanskje aksepterer et batteri som degraderes litt raskere i bytte mot imponerende spesifikasjoner, sikter Apple og Samsung vanligvis på at enhetene deres beholder topp ytelse i flere år for å støtte høye videresalgsverdier og lange programvindu.

Skalaen på produksjonen spiller også en avgjørende rolle. Produksjon av silisium-karbon-anoder krever komplekse nanoteknologiprosesser som for øyeblikket er både dyrere og vanskeligere å skalere enn vanlige grafitt-anoder. Å skaffe nok høykvalitets silisium-karbon-materiale til volumet av iPhone- eller Galaxy S-enheter som produseres årlig, er en logistisk utfordring som forsyningskjeden foreløpig først begynner å løse.

Inntil disse lederne kan garantere at silisium-karbon-celler tilbyr samme flerårige levetid og sikkerhetsmarginer som deres nåværende teknologi—i stor skala—vil de sannsynligvis fortsette å stole på optimaliserte grafittsystemer, og overlater eksperimenteringen med silisium til disse mindre OEM-ene foreløpig. Vi vil imidlertid gjerne se disse batteriene i vanlige telefoner en dag, og jeg håper at det skjer til slutt.