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2020年02月11日 | 欢迎来到超级锂离子电池时代
2020-02-11 来源：EEWORLD
基恩伯迪切夫斯基，作为特斯拉的第7号员工，他领导的团队为特斯拉的第一款汽车Roadster设计了锂离子电池组，这款汽车让全世界相信了电动汽车的重要性。十年后，电动汽车可以与普通的耗油汽车相抗衡，但在电池的保质期和电池的能量容量之间仍然存在很大的权衡。伯迪切夫斯基意识到，如果想要让我们的道路完全电气化，就需要采取一种完全不同的方法。
2011年，伯迪切夫斯基创立了Sila Nanotechnologies来制造更好的电池。他的秘密成分是纳米硅粒子，当它们用作电池的负极时，可以给锂离子电池充电。如今，Sila是少数几家竞相将锂硅电池带出实验室、投入现实世界的公司之一。在现实世界中，它们有望在从耳塞到汽车等各种电子设备的外形和功能方面开辟新的前沿。
Sila Nano长期方针是高能电动汽车，但目前第一步是向小型设备进军。伯迪切夫斯基计划明年在消费电子产品中使用第一块锂硅电池，他说，这将使电池每次充电的续航时间延长20%。作为大多数现代电子产品的数码心脏原料，硅和锂是与蝙蝠侠和罗宾齐名的动态组合。
当锂离子电池充电时，锂离子会流向负极，负极通常由一种叫做石墨构成。如果你把石墨换成硅，更多的锂离子可以储存在负极上，这就增加了电池的能量容量。但是把所有这些锂离子塞进电极会导致它像气球一样膨胀;在某些情况下，它甚至可以增长到四倍大。
膨胀的负极可以粉碎纳米硅颗粒，并打破负极和电池电解质之间的保护屏障，从而将锂离子输送到电极之间。随着时间的推移，负极和电解液之间的边界处会形成污垢，既阻碍了锂离子的有效转移，又使许多锂离子失去功效。
解决这个问题的一种方法是在石墨阳极上撒上少量的氧化硅。这就是特斯拉目前的电池方式。氧化硅是预膨胀的，所以它减少了负极在充电过程中膨胀的压力。但它也限制了可以储存在正极的锂数量。以这种方式给电池充电不足以带来两位数的性能提升，但有总比没有要好。
NanoGraf的联合创始人兼首席技术官凯瑞海纳认为，可以在不损失硅氧化物的能量容量的情况下充分利用硅和石墨。在NanoGraf，他和他的同事通过在石墨烯中嵌入硅颗粒来提高碳硅电池的能量。他们的设计使用了石墨烯基质，使硅有膨胀的空间，并保护负极不受电解液的破坏。海纳说，石墨硅阳极可以使锂离子电池的能量增加30%。
但是要把这个数字推到40%到50%的范围，你必须把石墨完全排除在外。多年来，科学家们已经知道如何制造硅阳极，但他们一直在努力扩大制造过程中涉及的先进纳米工程流程。
Sila是最早发现如何大规模生产硅纳米颗粒的公司之一。他们的解决方案是将硅纳米颗粒封装到一个坚硬的外壳中，以保护它们不受电池电解液的破坏。外壳的内部基本上是一个硅海绵，它的多孔性意味着它可以适应电池充电时的膨胀。
这与材料制造商Advano采用的方法类似，后者在新奥尔良的工厂生产成吨的硅纳米颗粒。为了降低生产纳米颗粒的成本，阿德瓦诺的原材料来自于生产太阳能电池板和其他电子产品的公司的硅片。阿德瓦诺工厂使用化学工艺将晶圆磨成高度工程化的纳米颗粒，用于电池负极。
“真正的问题不是‘我们能得到一个强大的电池吗?'问题是，我们能否让电池便宜到足以制造数万亿个这样的电池?”Advano的创始人兼首席执行官亚历山大吉罗表示。
到目前为止，这些公司都没有看到他们的阳极材料被用于消费产品，但他们都在与电池制造商进行谈判，以实现这一目标。Sila预计其阳极将在一年内用于无线耳机和智能手表。投资了iPod联合创始人托尼法德尔(Tony Fadell)的Advano也在进行谈判，希望在不久的将来将其阳极应用于消费电子产品。虽然离电动汽车还有很长一段路要走，但证明这项技术在电子产品中也能发挥作用，是朝着这个方向迈出的一小步。
佐治亚理工学院的材料科学家马修麦克道尔(Matthew McDowell)说:“电池的发展速度不如其他技术领域，比如计算机。”他说，原因在于电池负极用硅代替石墨所涉及的变量之间复杂的相互作用。这不仅仅是增加能量密度的问题，还要确保这不会降低电池的热稳定性、充电率或寿命。
麦克道尔说:“大规模设计新材料，在满足所有其他指标的同时提高产能，是一个重大挑战。
这就是为什么公司从小型消费电子产品开始，制造第一波硅锂电池。斯蒂芬森可再生能源研究所的主任劳伦斯·哈德威克说，它们是“唾手可得的果实”。电子产品中的电池只能使用几年。电动汽车需要电池寿命超过10年，并能处理日常充电、各种温度变化和其他独特的压力。哈德威克说，制造一种能在更长时间内保持高能量的锂硅电池是一个“更大的挑战”。
伯迪切夫斯基很清楚大规模生产一种可用于电动车的锂硅电池所面临的障碍。他预计至少要到2025年才能在商用电动汽车上看到硅阳极。但他相信，一旦他们问世，它将再次重塑汽车工业。
史海拾趣
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