多年來(lái)，電池制造商一直試圖用硅材料替代鋰離子電池中的石墨陽(yáng)極，這將大大延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。一些帶有硅陽(yáng)極的電池正慢慢出現(xiàn)在可穿戴設(shè)備和電子產(chǎn)品的市場(chǎng)。一些公司正在開(kāi)發(fā)的這些富含硅的陽(yáng)極配方通常使用氧化硅或硅和碳的混合物。

但加州歐文市的Enevate公司正在使用一種主要由純硅制成的工程多孔膜。這種新型陽(yáng)極材料的發(fā)明者兼首席技術(shù)官Benjamin Park花了10多年的時(shí)間研發(fā)，使其除了具有價(jià)格低廉的特點(diǎn)之外，它還將使電動(dòng)汽車(chē)的單次充電續(xù)航里程比現(xiàn)在的電動(dòng)汽車(chē)提高30%。更重要的是，Enevate設(shè)想的電池可以在5分鐘內(nèi)充滿(mǎn)電，提供400公里的行駛里程。

電池和汽車(chē)行業(yè)的大牌們都在關(guān)注著。汽車(chē)制造商雷諾、日產(chǎn)和三菱，以及電池制造商LG-Chem和三星都是投資者。而鋰電池先驅(qū)、2019年化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主John Goodenough也在該公司的顧問(wèn)委員會(huì)中。

當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極。陽(yáng)極能容納的離子越多，它的能量容量就越大，電池的運(yùn)行時(shí)間也就越長(zhǎng)。理論上，硅的能量是石墨的十倍。但它也會(huì)急劇膨脹和收縮，在幾次充電周期后就會(huì)解體。

Image: EnevateEdge of punched double-sided finished anode, with copper foil in the middle.

為了解決這個(gè)問(wèn)題，像特斯拉這樣的電池制造商今天只在石墨粉中加入了一點(diǎn)點(diǎn)硅。粉末與一種叫做粘合劑的膠狀塑料混合，然后涂在一層薄銅箔上制成陽(yáng)極。但是，Park說(shuō)，鋰離子首先與硅反應(yīng)，然后才與石墨反應(yīng)。他說(shuō)：“硅仍然會(huì)膨脹很多，塑料粘合劑也很弱。”他解釋說(shuō)，隨著硅含量的增加，整個(gè)電極更容易降解。

Enevate不使用塑料粘合劑。相反，它的專(zhuān)利工藝直接在銅箔上形成10到60微米厚的多孔硅膜。上面的櫻桃是一層納米厚的保護(hù)膜，Park說(shuō)，這種保護(hù)膜“防止硅與電解液反應(yīng)”，這種反應(yīng)也會(huì)損壞電池。

該工藝不需要高質(zhì)量的硅，因此這種類(lèi)型的陽(yáng)極成本低于相同容量的石墨陽(yáng)極。而且由于這種材料主要是硅，鋰離子可以很快地進(jìn)出，在5分鐘內(nèi)將電池充電到75%的容量，而不會(huì)造成很大的膨脹。

Park說(shuō)，通過(guò)將硅陽(yáng)極與鎳錳鈷等傳統(tǒng)陰極材料耦合，他們制造出了能量密度高達(dá)每公斤350瓦時(shí)的電池，比當(dāng)今鋰離子電池的比能量高出約30%。Enevate表示，目前正與多家主要汽車(chē)公司合作，為2024-25車(chē)型年的電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的電池。