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XNRGI多孔硅锂金属电池即将实现商业化

IEEE电气电子工程师 来源:IEEE电气电子工程师学会 2020-05-16 10:13 次阅读

XNRGI多孔硅锂金属电池即将实现商业化

锂离子电池无所不在:电子产品、汽车、机器人和电网存储中皆有它们的身影。目前,全球锂离子电池年产量约达160吉瓦时。3位主要开发者凭借这项革命性的技术获得2019年诺贝尔化学奖。然而,锂离子电池并非十分完美。对于长期存储的应用而言,它仍然价格太高,而且易于起火。

许多类型的电池依靠越来越难以生产的材料,比如钴和镍。许多电池专家一致认为,总有一天,会出现更好的电池。锂电池的前身是锂金属电池。

20世纪70年代,埃克森公司的化学家M. 斯坦利•惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)开发出了锂金属电池。金属锂适合用作电池材料,因为它易于释放电子和带正电荷的锂离子。

但事实证明,惠廷厄姆的设计难以商业化:锂具有高反应性,且用于阴极的二硫化钛价格昂贵。于是,研究人员在锂中加入石墨,使锂形成加层降低反应性,并选择更便宜的材料用于阴极。锂离子电池由此诞生。

同时,带有金属锂阳极的电池似乎注定要成为锂电池发展之路上一个有趣的旁注。总部位于华盛顿州博塞尔市的XNRGI公司力求将锂金属电池推向主流市场。

该公司的研发团队将金属锂沉积到覆有薄膜且蚀刻了数以百万计微小单元的硅衬底上,成功抑制了金属锂的反应性。相较传统的锂离子二维阳极,三维衬底大大增加了阳极的表面积。XNRGI首席执行官克里斯•德库托(Chris D‘Couto)称,使用金属锂代替化合物后,XNRGI阳极的容量是传统石墨嵌锂阳极的10倍。

公司预计今年开始小批量商业化生产锂金属电池,供应电动车和消费性电子产品客户。XNRGI同时瞄准了电网存储。

去年,该公司与加拿大初创公司Cross Border Power签署合资企业协议,向北美的公用事业客户销售其电池产品。当然,新电池技术一直在不断发布,包括本刊在内的科技期刊乐于报道这些新技术的潜力。

但实验室中看起来前途无量甚至是革命性的电池,很少能真正投入市场。阿贡国家实验室的储能专家文卡特•斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)认为,所有新电池的商业化前景都很复杂:“这取决于你要满足什么样的指标。”

对于电动汽车来说,理想电池的续航里程为几百公里,充电时间以分钟为单位,适于各种工作温度,使用寿命可达10年,碰撞时保证安全,当然还有低成本。斯里尼瓦桑称:“指标越多,新电池技术就越难全部满足。这时候就需要妥协——也许有的电池可以使用10年,但续航里程有限,充电也不会那么快。”

不同的应用会有不同的指标,他补充道:“工业界只希望看到至少不逊于现有电池的产品。”

德库托承认,XNRGI的电池实现商业化并非易事,但他认为,目前存在几个有利因素。公司并非发明了新的制造方法,而是借鉴了芯片制造商用于制造集成电路的一些成熟可靠技术,包括在硅上蚀刻20微米×20微米的空腔以及应用薄膜。

因此,电池得名为“PowerChip”。

德库托认为,每一个微观单元都可以被视为微电池。

与锂离子电池被刺穿而发生灾难性故障不同,一个PowerChip电池单元故障不会影响周围单元。这些单元似乎也阻止了线状树突的形成,避免造成电池故障。Enovix、Nexeon、Sila Nanotech-nologies和SiON Power等公司生产的锂离子电池也用硅替代部分或全部阳极石墨,从而提高性能。在这些电池的阳极中,锂嵌入硅中,形成Li15 Si4。

在XNRGI的PowerChip中,硅衬底具有导电涂层,可作为集流器和扩散壁垒,防止硅与锂相互作用。德库托称,锂金属阳极的容量大约是硅嵌锂阳极的5倍。XNRGI在多数时间专注于开发燃料电池,即尼亚电力系统(Neah Power Systems)。

燃料电池使用新型多孔硅衬底。但是燃料电池市场尚未起步,因此在2016年,公司获得能源部许可,运用同一概念来制造锂金属电池。XNRGI增强阳极之后,继续阴极设计试验。

目前,公司正使用钴酸锂和镍锰钴制成的阴极,其电池容量是传统锂离子电池的两倍。

公司还利用客户提供的阴极来制作电池样品。德库托说,硫等替代材料可以进一步提高阴极性能。

他表示:“没有相应的高性能阴极,高性能阳极无法最大限度地发挥全部的电池潜力。”

斯里尼瓦桑称:“很多人像我一样梦想着有朝一日能彻底解决所有电池问题。希望那时每人都开电动汽车,每家每户都有电力储存电池,航空实现电气化,但现在,我的手机电池没电了。”

电池与生活一样,总有改进空间。

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