全新阳极材料将使电池的储电能力更强

全新阳极材料将使电池的储电能力更强。

曾几何时，早期发明家们得到的建议是制作更好的实用工具，比如捕鼠器，而现在，他们已经可以制作更好的锂电池了。锂电池可以为手机、笔记本电脑、便携式电动工具、汽车，甚至是整个家庭供电。有些行业正在尝试使用巨型锂电池来储存太阳能电池板中的能量，以便在天黑后使用。锂离子电池这些年来发展得越来越好，在锂离子电池中使用电子行业并不陌生的元素——硅，则有望使电池的性能在2019年大幅提升。

硅之所以能够提升锂电池性能，原因在于一些基本的电化学原理。在充电期间，锂离子从正极（即阴极）向负极（即阳极）移动；放电时，锂离子往相反的方向移动，即从阳极到阴极。因此，这种电池充电相当于在阳极中储存锂。如果电池可以存储更多锂，它就能储存更多能量。

在智能手机、笔记本电脑和大部分电动汽车所使用的普通锂离子电池中，负极由石墨（碳的一种存在形式）制成，锂以LiC6的形式存储在电极中，其中每个锂原子被6个碳原子包围。

多年来，电池开发人员一直在尝试用硅来代替负极中的碳，因为锂离子可以与硅结合形成Li15Si4。15:4的比例意味着可以用更少的负极材料储存更多的锂。因此，硅负极的容量更大。

问题是，在充电的过程中，硅与锂的反应会使硅的体积产生近300%的膨胀；放电过程也是如此。重复的充放电循环会导致材料衰变，进而使负极的表面积更大，然后与电解质发生化学反应，从而损坏电池。因此，含有硅负极材料的电池寿命往往不够长。

令人高兴的是，硅的膨胀问题也不是不能克服。现在，有些锂离子电池的负极包含了含硅颗粒，这些颗粒与二氧化硅（也就是沙子的主要物质）结合在一起并有一层碳涂层。2016年，埃隆•马斯克透露，特斯拉的锂电池就是通过这种方式制造的。不过，目前负极中的硅含量很少。

预计这一情况将在2019年发生变化。首先，位于加州的初创公司——Sila纳米技术公司计划将富硅的负极材料商业化。公司联合创始人兼佐治亚理工学院教授格莱布•友信（Gleb Yushin）表示，Sila公司为现有的电池制造商开发了一种“嵌入式解决方案”，预计将于2019年投入商业生产。

使用这种负极材料一开始可将电池容量提高约20%，最终将提高40%甚至更高，具体取决于应用情况。此外，友信解释说，它可以使负极的厚度降低67%，有可能使电池充电的速度提高到原来的9倍，他还表示，这也会使电池的安全性更高，因为它可以抑制线状金属枝晶的形成，线状金属枝晶会导致电池内部短路，甚至引起爆炸和着火。

━━━━

友信表示，公司的新型负极材料的颗粒与现在用于负极的石墨颗粒差不多大小，但硅位于多孔支架内，这为硅提供了膨胀和收缩的空间，而不会与电解质接触。因此用这种富硅负极材料制成的电池可较好地实现400到1000次完全充放电循环，对于大多数应用来说都已足够。“即使是电动汽车，电池的循环次数通常也不需要超过1000次。”友信说。

这种特点引起了德国宝马汽车公司的兴趣。宝马正在与Sila公司合作，探索采用新型负极材料制造的锂离子电池是否可用于其电动汽车。不过，友信说：“最早应用的产品将是可穿戴设备。”因为对可穿戴设备而言，电池成本不是关键因素，所需的负极材料数量会比较少，因此Sila公司能够轻松地满足需求。友信期望2019年能有数百万台设备用上采用Sila负极材料的锂离子电池。

除了Sila，今年可能还会有其他公司推出硅电池技术。另一家位于加州的公司Enovix有望推出一种完全由硅和氧化硅制成的负极材料。

2017年，Enovix的联合创始人兼首席技术官阿肖克•拉希里（Ashok Lahiri）和他的两位同事曾详细介绍了该公司的电池技术。当时，Enovix计划借用半导体行业的制造技术，使用薄薄的太阳能级硅晶片来制造电池，但该公司在研究了如何将电池技术应用于更大的车用锂电池后，又重新考虑了这一策略。“我们发现太阳能级基板无法大规模使用。”拉希里说。

因此，Enovix改进了方法，现在使用金属箔代替硅晶片作为其电池的基板，电池的整体几何形状保持不变。拉希里说，不同之处主要在于构造，在于组件的堆叠方式。他解释说，将负极堆栈保持在高压下可抑制充电过程中的膨胀，并且完全可以只采用硅和氧化硅来制造负极。

“我们的电池容量将提高30%到70%，具体取决于应用情况。”拉希里说。如果是这样，那么Sila也可以生产出将电池容量提高两位数的负极材料，不出意外的话，它将真正改变电池行业，因为这个行业正如拉希里所说：“哪怕电池容量只提高5%或10%，人们也会争相使用。”