全新陽極材料將使電池的儲(chǔ)電能力更強(qiáng)。

曾幾何時(shí)，早期發(fā)明家們得到的建議是制作更好的實(shí)用工具，比如捕鼠器，而現(xiàn)在，他們已經(jīng)可以制作更好的鋰電池了。鋰電池可以為手機(jī)、筆記本電腦、便攜式電動(dòng)工具、汽車，甚至是整個(gè)家庭供電。有些行業(yè)正在嘗試使用巨型鋰電池來儲(chǔ)存太陽能電池板中的能量，以便在天黑后使用。鋰離子電池這些年來發(fā)展得越來越好，在鋰離子電池中使用電子行業(yè)并不陌生的元素——硅，則有望使電池的性能在2019年大幅提升。

硅之所以能夠提升鋰電池性能，原因在于一些基本的電化學(xué)原理。在充電期間，鋰離子從正極（即陰極）向負(fù)極（即陽極）移動(dòng)；放電時(shí)，鋰離子往相反的方向移動(dòng)，即從陽極到陰極。因此，這種電池充電相當(dāng)于在陽極中儲(chǔ)存鋰。如果電池可以存儲(chǔ)更多鋰，它就能儲(chǔ)存更多能量。

在智能手機(jī)、筆記本電腦和大部分電動(dòng)汽車所使用的普通鋰離子電池中，負(fù)極由石墨（碳的一種存在形式）制成，鋰以LiC6的形式存儲(chǔ)在電極中，其中每個(gè)鋰原子被6個(gè)碳原子包圍。

多年來，電池開發(fā)人員一直在嘗試用硅來代替負(fù)極中的碳，因?yàn)殇囯x子可以與硅結(jié)合形成Li15Si4。15:4的比例意味著可以用更少的負(fù)極材料儲(chǔ)存更多的鋰。因此，硅負(fù)極的容量更大。

問題是，在充電的過程中，硅與鋰的反應(yīng)會(huì)使硅的體積產(chǎn)生近300%的膨脹；放電過程也是如此。重復(fù)的充放電循環(huán)會(huì)導(dǎo)致材料衰變，進(jìn)而使負(fù)極的表面積更大，然后與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而損壞電池。因此，含有硅負(fù)極材料的電池壽命往往不夠長。

令人高興的是，硅的膨脹問題也不是不能克服?，F(xiàn)在，有些鋰離子電池的負(fù)極包含了含硅顆粒，這些顆粒與二氧化硅（也就是沙子的主要物質(zhì)）結(jié)合在一起并有一層碳涂層。2016年，埃隆?馬斯克透露，特斯拉的鋰電池就是通過這種方式制造的。不過，目前負(fù)極中的硅含量很少。

預(yù)計(jì)這一情況將在2019年發(fā)生變化。首先，位于加州的初創(chuàng)公司——Sila納米技術(shù)公司計(jì)劃將富硅的負(fù)極材料商業(yè)化。公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼佐治亞理工學(xué)院教授格萊布?友信（Gleb Yushin）表示，Sila公司為現(xiàn)有的電池制造商開發(fā)了一種“嵌入式解決方案”，預(yù)計(jì)將于2019年投入商業(yè)生產(chǎn)。

使用這種負(fù)極材料一開始可將電池容量提高約20%，最終將提高40%甚至更高，具體取決于應(yīng)用情況。此外，友信解釋說，它可以使負(fù)極的厚度降低67%，有可能使電池充電的速度提高到原來的9倍，他還表示，這也會(huì)使電池的安全性更高，因?yàn)樗梢砸种凭€狀金屬枝晶的形成，線狀金屬枝晶會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，甚至引起爆炸和著火。

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友信表示，公司的新型負(fù)極材料的顆粒與現(xiàn)在用于負(fù)極的石墨顆粒差不多大小，但硅位于多孔支架內(nèi)，這為硅提供了膨脹和收縮的空間，而不會(huì)與電解質(zhì)接觸。因此用這種富硅負(fù)極材料制成的電池可較好地實(shí)現(xiàn)400到1000次完全充放電循環(huán)，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說都已足夠。“即使是電動(dòng)汽車，電池的循環(huán)次數(shù)通常也不需要超過1000次?！庇研耪f。

這種特點(diǎn)引起了德國寶馬汽車公司的興趣。寶馬正在與Sila公司合作，探索采用新型負(fù)極材料制造的鋰離子電池是否可用于其電動(dòng)汽車。不過，友信說：“最早應(yīng)用的產(chǎn)品將是可穿戴設(shè)備。”因?yàn)閷?duì)可穿戴設(shè)備而言，電池成本不是關(guān)鍵因素，所需的負(fù)極材料數(shù)量會(huì)比較少，因此Sila公司能夠輕松地滿足需求。友信期望2019年能有數(shù)百萬臺(tái)設(shè)備用上采用Sila負(fù)極材料的鋰離子電池。

除了Sila，今年可能還會(huì)有其他公司推出硅電池技術(shù)。另一家位于加州的公司Enovix有望推出一種完全由硅和氧化硅制成的負(fù)極材料。

2017年，Enovix的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官阿肖克?拉希里（Ashok Lahiri）和他的兩位同事曾詳細(xì)介紹了該公司的電池技術(shù)。當(dāng)時(shí)，Enovix計(jì)劃借用半導(dǎo)體行業(yè)的制造技術(shù)，使用薄薄的太陽能級(jí)硅晶片來制造電池，但該公司在研究了如何將電池技術(shù)應(yīng)用于更大的車用鋰電池后，又重新考慮了這一策略。“我們發(fā)現(xiàn)太陽能級(jí)基板無法大規(guī)模使用。”拉希里說。

因此，Enovix改進(jìn)了方法，現(xiàn)在使用金屬箔代替硅晶片作為其電池的基板，電池的整體幾何形狀保持不變。拉希里說，不同之處主要在于構(gòu)造，在于組件的堆疊方式。他解釋說，將負(fù)極堆棧保持在高壓下可抑制充電過程中的膨脹，并且完全可以只采用硅和氧化硅來制造負(fù)極。

“我們的電池容量將提高30%到70%，具體取決于應(yīng)用情況?！崩＠镎f。如果是這樣，那么Sila也可以生產(chǎn)出將電池容量提高兩位數(shù)的負(fù)極材料，不出意外的話，它將真正改變電池行業(yè)，因?yàn)檫@個(gè)行業(yè)正如拉希里所說：“哪怕電池容量只提高5%或10%，人們也會(huì)爭相使用?！?/p>