用于電動(dòng)汽車電池的硅基陽極將能量密度提高25%

隨著向電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)變在世界范圍內(nèi)取得重大進(jìn)展，電池制造商正在努力提高電動(dòng)汽車 （EV） 電池所用材料的性能。任何鋰離子 （Li-ion） EV 電池的主要組件都是陽極、陰極、隔膜和電解質(zhì)。

尤其是負(fù)極材料決定了車輛電池的充電速度，并且隨著能量密度的增加，有助于延長每次充電的行駛里程。盡管迄今為止石墨基材料已廣泛用于陽極制造，但越來越多的電池制造商正試圖提高硅的貢獻(xiàn)，以提高能量密度并減少充電時(shí)間。

在這種競爭激烈且對電動(dòng)汽車的未來至關(guān)重要的情況下，兩家從事電動(dòng)汽車電池開發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)先公司開發(fā)和實(shí)施的技術(shù)寄予厚望。商業(yè)電池材料制造商 Group14 Technologies 和由梅賽德斯、沃爾沃和吉利支持的電池制造商 Farasis Energy 最近宣布了第一個(gè)用于電動(dòng)汽車級(jí)電池的硅基陽極，能夠?qū)⒛芰棵芏忍岣?25%比目前市場上的任何 EV 電池都高。這一成就代表了電動(dòng)汽車的一個(gè)相關(guān)里程碑，加速了將性能更高的電動(dòng)汽車推向市場。

Group14 Technologies 的首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Rick Costantino 表示：“這是第一款提供如此性能提升并增加能量密度的汽車格式電池?！拔覀儗ο嚓P(guān)性能感到非常興奮，與標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池相比，性能提高了 25%?！?/p>

能量密度提高 25% 意味著，在質(zhì)量或體積相同的情況下，電動(dòng)汽車的行駛時(shí)間將延長 25%。通過提高能量密度，也可以降低電池的成本。除了更高的能量密度，新型硅碳陽極還表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性和耐用性，這是汽車應(yīng)用的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

“憑借這種電池提供的性能，我們將幫助內(nèi)燃機(jī)更接近成本平價(jià)，如果不是平價(jià)的話，”科斯坦蒂諾說。

SCC55? 材料

Group14 Technologies 開發(fā)的鋰硅技術(shù)使用名為 SCC55? 的硅碳負(fù)極材料，經(jīng)證實(shí)可顯著提高能量密度，在典型汽車電池中，充放電超過 1，000 次時(shí)可達(dá)到 330-Wh/kg 值循環(huán)。此外，電池 EV 電池的體積能量密度為 750 Wh/L。使用石墨作為負(fù)極材料的傳統(tǒng)電動(dòng)汽車鋰離子電池可以達(dá)到 260-Wh/kg 的能量密度，因此與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，性能的提高代表了電動(dòng)汽車應(yīng)用的真正進(jìn)步。

Group14 的工程師和電動(dòng)汽車極快充電 （XFC） 電池技術(shù)的先驅(qū) StoreDot 進(jìn)行的測試也證明，帶有 SCC55? 陽極的電池可以在不到 10 分鐘的時(shí)間內(nèi)從 10% 充電到 80%分鐘，這是在解決影響電動(dòng)汽車車主的所謂里程焦慮方面向前邁出的重要一步。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，這種性能提升代表了電動(dòng)汽車應(yīng)用的真正突破。

當(dāng)硅被重新設(shè)想為最理想的儲(chǔ)能形式——無定形和納米尺寸時(shí)，其體積容量是石墨的 10 倍。SCC55? 是一種精確配制的碳、硅和空隙空間混合物，可作為任何混合比例的石墨的直接替代品或作為總位移提供無與倫比的能量密度和生命周期穩(wěn)定性。

SCC55?是一種微粉化的硅碳粉末，可以通過設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，并且隨時(shí)可用。

對于鋰離子電池陽極，SCC55? 提供比普通石墨高 5 倍的容量和高達(dá) 50% 的能量密度。由于其獨(dú)特的硬碳基支架，硅保持在最佳狀態(tài)（無定形、納米尺寸和碳包裹）。結(jié)果是一流的負(fù)極材料在循環(huán)鋰離子電池時(shí)具有出色的首次循環(huán)效率和長壽命。這種材料可隨時(shí)用于任何應(yīng)用，具有集成的顆粒內(nèi)空隙空間和較小的表面積，并且由常用的、非奇異的、超高純度的材料制成。

該材料可以通過獲得專利的兩步工藝制造：Dryrolysis?（用于合成多孔硬碳支架）和 Siligenesis?（用于制造易于調(diào)節(jié)的非晶硅）。這兩個(gè)過程以圖形方式顯示在圖 2 中。

干解是一種非常有效且生態(tài)友好的碳合成方法，可用于創(chuàng)建理想的碳支架。通過將干聚合與熱處理相結(jié)合，這項(xiàng)新技術(shù)消除了對溶劑的需求，并且具有高度的可擴(kuò)展性。該平臺(tái)為硅碳復(fù)合材料提供了最佳的碳支架，允許保留無定形、納米尺寸的硅。干解的獨(dú)特之處在于它是在單相和單個(gè)反應(yīng)器中完成的。

硅生成是 Group14 Technologies 制造硅負(fù)極材料的過程。這種獨(dú)特的策略使用非外來前體在多孔碳支架內(nèi)轉(zhuǎn)化為硅，以在碳支架內(nèi)提供硅和定制的內(nèi)部空隙空間。硅生成不僅提供了硅的完美形狀，而且還允許硅在復(fù)合材料剩余的顆粒內(nèi)空隙內(nèi)膨脹和收縮，從而進(jìn)一步提高電化學(xué)性能。

圖 2：創(chuàng)建 SCC55? 材料的兩個(gè)過程

Group14 正在其位于華盛頓州伍丁維爾的商業(yè)規(guī)模電池活性材料 （BAM） 工廠制造和交付其鋰硅電池技術(shù)，該工廠的年產(chǎn)量為 120 噸。作為 Group14 Technologies 與 SK 材料合資企業(yè)的一部分，下一家 BAM 工廠已經(jīng)在韓國部署。第三家 BAM 工廠將在華盛頓東部建立，并且每年能夠部署 2，000 噸模塊。為了到2023年大規(guī)模部署其技術(shù)，Group14還在考慮增設(shè)第四家BAM工廠（國內(nèi)第三家BAM工廠），該公司也在討論建立歐洲BAM工廠。隨著他們繼續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，Group14 將繼續(xù)與電池生態(tài)系統(tǒng)中的各種合作伙伴合作，包括 InoBat 和 StoreDot。

既然 Group14 已經(jīng)證明了其新型材料的穩(wěn)定性以及它如何支持快速充電，下一步可能會(huì)談?wù)?33%、50% 甚至更高的改進(jìn)，完全取代石墨。

“我們面臨的挑戰(zhàn)之一是讓汽車原始設(shè)備制造商充分利用我們材料的潛力，”Costantino 說。“我認(rèn)為我們實(shí)現(xiàn)了 25% 的改進(jìn)真是太棒了，但如果我們看看陽極中石墨的完全置換，我們知道我們可以實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，可能高達(dá) 50%?！?/p>

在應(yīng)用方面，Group14 的技術(shù)可以成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備和航空航天行業(yè)。

“當(dāng)然，電動(dòng)汽車是最大的市場，它可能是我們最能獲得投資者關(guān)注的市場，”科斯坦蒂諾說?！暗牵覀冊诟鞣N應(yīng)用中，例如消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備、航空電子設(shè)備、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和電動(dòng)汽車。我們幾乎在任何可以使用鋰離子電池的地方?！?/p>

審核編輯：郭婷