用硅制造电池的时代到来了吗？

电子器件的主要材料现在可充电储能。

自从1991年锂离子电池首次商业化以来，相关技术取得了长足进步，例如1991年至2018年间，其价格惊人地下降了97%，其中最大的技术进展发生在锂金属氧化物阴极方面。相比之下，锂离子电池的石墨阳极则基本保持了原样。

实际上，硅被认为是一种容量更大的阳极材料，因为同样重量的硅可以容纳的锂离子数是石墨的10倍。但长期以来，硅一直比石墨更易碎，无法承受锂离子加载带来的巨大膨胀和收缩。

过去15年里，相关技术虽然有了逐步的改善，但希望却破灭了。如今，随着最近该领域一系列的创新，硅有可能很快会成为电池的主要材料。

一些汽车制造商和硅阳极初创公司已经展开合作，生产续航能力更强、成本更低的电动汽车，并可能在本世纪50年代中期上路。通用汽车公司和加州帕洛阿尔托的OneD电池科学公司正在将OneD的硅纳米技术用于通用汽车的Ultium电池。从2021年以来，Sila纳米技术公司（位于美国加州阿拉米达）的硅阳极一直用在Whoop健身追踪器中，2026年它将用于梅赛德斯G级SUV中。2024年，Group14 Technologies公司（位于华盛顿州伍丁维尔）的硅电池将安装在保时捷电动汽车中。

2022年末，Group14、Sila和加州弗里蒙特的Amprius Technologies筹集了近5亿美元，实现阳极材料商业化，其中2.5亿美元来自美国能源部，Group14还另外获得了2.14亿美元的私人投资。这3家公司都计划在未来几年内建设并运营千兆瓦规模的工厂。2023年4月，Group14开始在华盛顿州摩西湖建造一座20千兆瓦的工厂。

“硅改变了我们的信息存储方式，现在，它正在改变我们的能源存储方式。”Group14的首席技术官里科•克斯坦迪诺（Rick Costantino）说。

硅能吸收更多锂离子，让它们更快地穿过电池膜，有望实现续航里程更长、充电速度更快、价格更实惠的电动汽车。硅是地壳中最丰富的金属，价格应该能更便宜，受供应链问题的影响更小。目前几乎所有的石墨阳极材料都是在中国加工的。

大多数硅阳极初创公司都将纳米工程硅作为一种变通方法，解决该元素面临的关键问题——膨胀以及与电解质发生不良的副反应。2008年，斯坦福大学材料科学教授崔屹及其实验室在《自然•纳米技术》杂志上发表一篇论文，研究能够承受膨胀的硅纳米线，开创了这一研究领域。他还与他人共同创办了Amprius公司。2023年3月，该公司报告了一种硅阳极电池，其认证能量密度创历史新高，达到了500瓦时/千克，约为如今电动汽车电池的2倍。Amprius公司希望最终能够将电池成本降低到可用于无人机和空中出租车等商业飞行的水平。

相比之下，OneD公司则致力在未来几年内将价格实惠的电动汽车推向市场。OneD公司将硅纳米线注入石墨颗粒的内部孔隙和表面。该公司表示，增加硅处理的成本不到2美元/千瓦时，可生产能量密度为350瓦时/千克的电池，这种电池能够在10分钟内充电80%。

Group14和Sila公司都在设计外观和作用与目前用于制造阳极的黑色石墨粉末相似的硅材料。“你不需要改变电池的制造方式……可以在同一工厂制造硅阳极。”Sila公司的首席技术官格雷布•有信（Gleb Yushin）说。

有信说，Sila公司的纳米结构多孔材料中的空间允许硅在不损坏的情况下膨胀，支架布局允许锂离子通过，同时防止其与电解质发生反应。“在材料层面，它最终应该会比石墨便宜。”有信说。

Group14通过单个步骤和一次反应生成微米级的多孔碳颗粒，然后使用化学气相沉积将硅带入孔隙。克斯坦迪诺说，预计在未来几个月内，该公司与SK Materials合作在韩国建造的10千兆瓦工厂将上线，2024年另一家20千兆瓦的工厂将上线。

加州尔湾的Enevate公司没有制造硅纳米材料和纳米线，而是直接在铜箔上沉积几十微米厚的多孔硅膜。其硅阳极电池应用在了Lightning Motorcycles公司（位于加州霍利斯特）的新型电动摩托车中，仅需充电10分钟，即可实现续航约220公里。

与此同时，芝加哥初创公司NanoGraf表示，其预膨胀氧化硅阳极能够将电池的能量密度提高10%，早期应用于便携式军事设备。

这些公司都在竞相提高产量和降低成本，他们还面临来自其他实验电池化学品开发商的竞争，包括锂金属、锂空气和锂硫等的开发商。但是要实现这些目标，需要重新开始设计电池。因此，即使硅最后会被取代，未来硅的主导优势无论持续多久，一直以来都是人们的长期期望。

“至少在未来5年内，锂不会上市。”斯坦福大学的崔屹说，但现在可以订购硅阳极材料。“硅正在流行，这是硅的时代。”

审核编辑：刘清