纳米技术使下一代电动汽车充电成为可能

随着新型电动汽车 （EV） 的推出，汽车制造商正努力创造一个更可持续的未来。这些电动汽车的出现将见证能源的重大转变，需要看到更强大的快速充电网络，而硅 （Si） 阳极电池可能是使这种情况成为现实的关键技术。在接受电力电子新闻采访时，Coretec 集团首席执行官 Michael Kraft，我们重点介绍了这些新解决方案的特性，并分析了哪些材料可以促进电动汽车的发展。Coretec 集团致力于为多个有前景的市场开发和商业化技术，例如储能、太阳能、固态照明、可印刷电子产品和 3D 显示器。

“我们的重点是能够在全球挑战领域实现下一代技术的先进材料——半导体、太阳能电池板、LED 和用于高功率和快速充电的下一代硅阳极电池，”Kraft 说。“我们一直在寻找支持这些下一代技术的其他材料，［以及］ 公司与之合作或收购。目前，我们将大部分资源投入到环己硅烷 ［CHS］ 的商业化中。”

Kraft 指出，Coretec 集团的产品组合基于硅产品的生产，从环己硅烷（Si 6 H 12 ） 开始，这是一种在受热或紫外线辐射时会转化为纯硅的液体，首先是非晶硅，然后是晶体硅随着曝光量的增加。

CHS 是一种纯材料，是先进储能应用的关键元素。通过与赢创的合作，Coretec 集团为客户提供 CHS 样品进行评估；赢创可以轻松地大规模供应生产。CHS 的纯度可以变化以满足特定的市场应用需求，定价与纯度水平相关。“Coretec 环己硅烷非常适用于硅和/或掺杂硅 ［C、Ge、B、Co 和 P］ 的纯度、安全性、快速沉积速率和低温沉积很重要的应用，”Kraft 说。

环己硅烷的转化

电动汽车

电动汽车是普通汽油动力汽车的环保替代品，但它们缺乏一个关键特征：方便。电动汽车的基础设施和电池容量无法与当前的汽车相提并论。虽然似乎到处都有加油站，但电动汽车充电站并不普遍，这意味着司机必须在出行前做好详细的充电计划。具有快速充电和远程电池的高效基础设施将有助于电动汽车的成功。

许多制造商正在寻找新的解决方案（材料）来克服锂离子（Li-ion）电池中石墨负极的局限性。新的硅阳极电池技术有望在 5 到 10 分钟内将电池快速充电至其容量的 80% 以上，而不会物理损坏电池，同时还将能量密度提高 2 到 3 倍。

即将推出的 Gen 2.0 锂离子电池将采用新材料来提高能量密度并解决膨胀问题。Kraft 指出，有多少公司正在与材料工程师合作，将纳米技术添加到制造过程中，包括加入诸如 CHS 之类的 Si 前体。

Kraft 解释了 CHS 如何提供比传统前体更快的设备制造速度，更重要的是，它可以生成无定形纳米结构，这意味着电池可以快速充电而不会膨胀。这种材料还有助于承受多次充电和放电循环，这是电动汽车的一个重要考虑因素。

“Coretec 环己硅烷可以通过用硅碳纳米结构和合金代替锂离子电池中常用的石墨阳极来提高能量密度，”Kraft 说。“这些材料储存了更多的锂离子，增加了能量密度，同时减少了最终的破坏。”

CHS 是一种用于锂离子电池阳极应用的液态硅前体。它的液态为加工低成本碳硅纳米结构提供了优势，可以直接替代高能锂离子中的石墨。一个关键优势是高充电/放电生命周期和更高的能量密度。

卡夫指出，特斯拉表示他们正在向硅阳极解决方案迈进，这是电动汽车电池的一个重要里程碑。消费者需要一种充电速度更快、行驶更远、使用寿命更长的电池，而今天的材料无法充分应对这一挑战。

碳化硅制造的新功能

由于宽带隙材料的需求，电力电子设备正以惊人的速度发展。碳化硅 （SiC） 解决方案可以有效增强电动汽车的电力电子设备，以满足设计参数并对系统性能和长期可靠性做出重要贡献。

SiC 器件越来越多地用于对尺寸、重量和效率有严格要求的高压功率转换器，因为与常用的 Si 器件相比，它们具有许多吸引人的特性。导通电阻和开关损耗要低得多，而且 SiC 的热导率比 Si 高约 3 倍，从而可以更快地从组件中散热。这很重要，因为当 Si 基器件的面积变小时，提取电转换过程产生的热量变得更加困难，而 SiC 能够更好地散热。

与传统的硅片相比，碳化硅片非常复杂，随着市场的需求，在大规模商业化和完全替代更传统的硅片方面需要解决许多障碍；被称为 CHS 的硅前体可以提供帮助。

高性能 SiC 器件一直受限于无法在缺陷密度低的半导体晶片上生长 SiC 薄膜，以及将 SiC 层粘附到衬底上的额外困难：α-SiC（例如 4H-SiC、6H- SiC） 和 β-SiC （3C-SiC） 是众所周知的例子。

β-SiC 作为电力电子替代材料的广泛采用带来了几个挑战。其中之一是需要一种不仅经济而且在化学上可行的硅前驱体，以开发先进的 SiC 器件薄膜和结构。

CHS 可以在正常条件下在各种衬底上制造 β-SiC 薄膜。此外，CHS 可以轻松地将材料 p 掺杂到 β-SiC 薄膜中。这种前驱体可以通过简化从运输到存储和硅沉积的过程来帮助电力电子设备的发展。Kraft 指出，CHS 提供了以经济高效的方式克服 SiC 半导体生产历史局限性的潜力。

电动汽车的自主性直接反映了其动力总成和能源管理系统的效率。除了必要的基础设施（例如随处可用的强大快速充电系统）外，电动汽车还必须具有改进的 SiC 电力电子设备和具有更高能量密度和更短充电时间的 Si 基阳极电池。具有这些改进的电动汽车不仅将被大规模采用并取代今天的汽油车，而且它们将创造世界所需的可持续电动汽车的未来。

审核编辑：彭静