[技術(shù)前沿]硅有可能很快會(huì)成為電池的主要材料
電子器件的主要材料現(xiàn)在可充電儲(chǔ)能。
自從1991年鋰離子電池首次商業(yè)化以來(lái)，相關(guān)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，例如1991年至2018年間，其價(jià)格驚人地下降了97%，其中最大的技術(shù)進(jìn)展發(fā)生在鋰金屬氧化物陰極方面。相比之下，鋰離子電池的石墨陽(yáng)極則基本保持了原樣。
實(shí)際上，硅被認(rèn)為是一種容量更大的陽(yáng)極材料，因?yàn)橥瑯又亓康墓杩梢匀菁{的鋰離子數(shù)是石墨的10倍。但長(zhǎng)期以來(lái)，硅不斷比石墨更易碎，無(wú)法承受鋰離子加載帶來(lái)的巨大膨脹和收縮。
過(guò)去15年里，相關(guān)技術(shù)雖然有了逐步的改善，但希望卻破滅了。如今，隨著最近該領(lǐng)域一系列的創(chuàng)新，硅有可能很快會(huì)成為電池的主要材料。
一些汽車制造商和硅陽(yáng)極初創(chuàng)公司已經(jīng)展開合作，生產(chǎn)續(xù)航能力更強(qiáng)、成本更低的電動(dòng)汽車，并可能在本世紀(jì)50年代中期上路。通用汽車公司和加州帕洛阿爾托的OneD電池科學(xué)公司正在將OneD的硅納米技術(shù)用于通用汽車的Ultium電池。從2021年以來(lái)，Sila納米技術(shù)公司（位于美國(guó)加州阿拉米達(dá)）的硅陽(yáng)極不斷用在Whoop健身追蹤器中，2026年它將用于梅賽德斯G級(jí)SUV中。2024年，Group14 Technologies公司（位于華盛頓州伍丁維爾）的硅電池將安裝在保時(shí)捷電動(dòng)汽車中。
2022年末，Group14、Sila和加州弗里蒙特的Amprius Technologies籌集了近5億美元，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極材料商業(yè)化，其中2.5億美元來(lái)自美國(guó)能源部，Group14還另外取得了2.14億美元的私人投資。這3家公司都計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)建設(shè)并運(yùn)營(yíng)千兆瓦規(guī)模的工廠。2023年4月，Group14開始在華盛頓州摩西湖建造一座20千兆瓦的工廠。
“硅改變了 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的信息存儲(chǔ)方式，現(xiàn)在，它正在改變 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的能源存儲(chǔ)方式?！盙roup14的首席技術(shù)官里科?克斯坦迪諾（Rick Costantino）說(shuō)。
硅能吸收更多鋰離子，讓它們更快地穿過(guò)電池膜，有望實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程更長(zhǎng)、充電速度更快、價(jià)格更實(shí)惠的電動(dòng)汽車。硅是地殼中最豐富的金屬，價(jià)格應(yīng)該能更便宜，受供應(yīng)鏈問(wèn)題的影響更小?，F(xiàn)在幾乎所有的石墨陽(yáng)極材料都是在中國(guó)加工的。
多年來(lái)，研究人員不斷在想辦法，用硅來(lái)代替鯉離子電池陽(yáng)極中的石墨。直到最近，他們得出了硅的制作配方，比如Group14技術(shù)公司的納米結(jié)構(gòu)硅粉末，它能夠在多次充放電循環(huán)中承受鉀離子的流入和流出。
大多數(shù)硅陽(yáng)極初創(chuàng)公司都將納米工程硅作為一種變通方法，解決該元素面臨的關(guān)鍵問(wèn)題——膨脹以及與電解質(zhì)發(fā)生不良的副反應(yīng)。2008年，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)教授崔屹及其實(shí)驗(yàn)室在《自然?納米技術(shù)》雜志上發(fā)表一篇論文，研究能夠承受膨脹的硅納米線，開創(chuàng)了這一研究領(lǐng)域。他還與他人共同創(chuàng)辦了Amprius公司。2023年3月，該公司報(bào)告了一種硅陽(yáng)極電池，其認(rèn)證能量密度創(chuàng)歷史新高，達(dá)到了500瓦時(shí)/千克，約為如今電動(dòng)汽車電池的2倍。Amprius公司希望最終能夠?qū)㈦姵爻杀窘档偷娇捎糜跓o(wú)人機(jī)和空中出租車等商業(yè)飛行的水平。
相比之下，OneD公司則致力在未來(lái)幾年內(nèi)將價(jià)格實(shí)惠的電動(dòng)汽車推向市場(chǎng)。OneD公司將硅納米線注入石墨顆粒的內(nèi)部孔隙和表面。該公司表示，增加硅處理的成本不到2美元/千瓦時(shí)，可生產(chǎn)能量密度為350瓦時(shí)/千克的電池，這種電池能夠在10分鐘內(nèi)充電80%。
Group14和Sila公司都在設(shè)計(jì)外觀和作用與現(xiàn)在用于制造陽(yáng)極的黑色石墨粉末相似的硅材料。“你不需要改變電池的制造方式……可以在同一工廠制造硅陽(yáng)極?！盨ila公司的首席技術(shù)官格雷布?有信（Gleb Yushin）說(shuō)。
有信說(shuō)，Sila公司的納米結(jié)構(gòu)多孔材料中的空間允許硅在不損壞的情況下膨脹，支架布局允許鋰離子順利獲得，同時(shí)防止其與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。“在材料層面，它最終應(yīng)該會(huì)比石墨便宜?！庇行耪f(shuō)。
Group14順利獲得單個(gè)步驟和一次反應(yīng)生成微米級(jí)的多孔碳顆粒，然后使用化學(xué)氣相沉積將硅帶入孔隙?？怂固沟现Z說(shuō)，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)，該公司與SK Materials合作在韓國(guó)建造的10千兆瓦工廠將上線，2024年另一家20千兆瓦的工廠將上線。
加州爾灣的Enevate公司沒有制造硅納米材料和納米線，而是直接在銅箔上沉積幾十微米厚的多孔硅膜。其硅陽(yáng)極電池應(yīng)用在了Lightning Motorcycles公司（位于加州霍利斯特）的新型電動(dòng)摩托車中，僅需充電10分鐘，即可實(shí)現(xiàn)續(xù)航約220公里。
與此同時(shí)，芝加哥初創(chuàng)公司NanoGraf表示，其預(yù)膨脹氧化硅陽(yáng)極能夠?qū)㈦姵氐哪芰棵芏忍岣?0%，早期應(yīng)用于便攜式軍事設(shè)備。
這些公司都在競(jìng)相提高產(chǎn)量和降低成本，他們還面臨來(lái)自其他實(shí)驗(yàn)電池化學(xué)品開發(fā)商的競(jìng)爭(zhēng)，包括鋰金屬、鋰空氣和鋰硫等的開發(fā)商。但是要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要重新開始設(shè)計(jì)電池。因此，即使硅最后會(huì)被取代，未來(lái)硅的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)無(wú)論持續(xù)多久，不斷以來(lái)都是人們的長(zhǎng)期期望。
“至少在未來(lái)5年內(nèi)，鋰不會(huì)上市?！彼固垢４髮W(xué)的崔屹說(shuō)，但現(xiàn)在可以訂購(gòu)硅陽(yáng)極材料。“硅正在流行，這是硅的時(shí)代?！?/p>
作者：Prachi Patel
關(guān)注微博
關(guān)注微信
關(guān)注公眾號(hào)
關(guān)注抖音號(hào)