隨著向電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)變?cè)谑澜绶秶鷥?nèi)取得重大進(jìn)展，電池制造商正在努力提高電動(dòng)汽車(chē) （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(yáng)極、陰極、隔膜和電解質(zhì)。

尤其是負(fù)極材料決定了車(chē)輛電池的充電速度，并且隨著能量密度的增加，有助于延長(zhǎng)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(yáng)極制造，但越來(lái)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(jìng)爭(zhēng)激烈且對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)至關(guān)重要的情況下，兩家從事電動(dòng)汽車(chē)電池開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)先公司開(kāi)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(chē)級(jí)電池的硅基陽(yáng)極，能夠?qū)⒛芰棵芏忍岣?25%比目前市場(chǎng)上的任何 EV 電池都高。這一成就代表了電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)相關(guān)里程碑，加速了將性能更高的電動(dòng)汽車(chē)推向市場(chǎng)。

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(chē)格式電池。“我們對(duì)相關(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%。”

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(chē)的行駛時(shí)間將延長(zhǎng) 25%。通過(guò)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(yáng)極還表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性和耐用性，這是汽車(chē)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(shuō)。

SCC55? 材料

Group14 Technologies 開(kāi)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(chē)電池中，充放電超過(guò) 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(chē)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(chē)應(yīng)用的真正進(jìn)步。

Group14 的工程師和電動(dòng)汽車(chē)極快充電 （XFC） 電池技術(shù)的先驅(qū) StoreDot 進(jìn)行的測(cè)試也證明，帶有 SCC55? 陽(yáng)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(chē)車(chē)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(chē)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(wú)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(wú)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(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，并且隨時(shí)可用。

對(duì)于鋰離子電池陽(yáng)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(wú)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(zhǎng)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(guò)獲得專(zhuān)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(guò)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(guò)將干聚合與熱處理相結(jié)合，這項(xiàng)新技術(shù)消除了對(duì)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(wú)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(guò)程。這種獨(dú)特的策略使用非外來(lái)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(guò)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(guó)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(guó)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(chē)原始設(shè)備制造商充分利用我們材料的潛力，”Costantino 說(shuō)。“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(yáng)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%。”

在應(yīng)用方面，Group14 的技術(shù)可以成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、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(chē)是最大的市場(chǎng)，它可能是我們最能獲得投資者關(guān)注的市場(chǎng)，”科斯坦蒂諾說(shuō)。“但是，我們?cè)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(chē)。我們幾乎在任何可以使用鋰離子電池的地方。”

審核編輯：郭婷