可充電鋰離子電池技術再次面臨新機遇！

如圖所示：Sila Nanotechnologies公司的硅佔主體的複合陽極電池

現如今，無論是攜帶型電子設備（如手機和平板電腦），還是電動汽車乃至電網規模儲能的首選電源都是鋰離子電池。儘管自1991年索尼推出第一塊鋰離子電池以來，時間已經過去了二十年，我們在提高能量密度和降低成本方面取得了穩步進展，但目前鋰離子電池的能量密度已逐漸達到其理論極限值。

無論是用於消費電子產品還是電動汽車中，鋰離子電池的基本結構都是相同的。將陽極，隔膜和陰極浸入電解質溶液中，這有助於在陰極和陽極之間傳輸Li 。用於電子設備的鋰離子電池通常採用的是石墨陽極和鋰鈷氧（LCO）陰極，而用於電動車輛的鋰離子電池則採用的是石墨陽極和鋰鎳鈷錳（NCM）或鋰鎳鈷鋁（NCA）的陰極。通過向電池陰極中添加其他金屬可以減少昂貴且有毒的鈷金屬的使用量，添加其它金屬替代鈷只會輕微地降低電池的能量密度。

然而，喬治亞理工學院材料科學與工程教授Gleb Yushin指出，鋰離子電池目前的問題在於：近年來其單位能量密度的提高和價格的降低已經表現出了停滯不前的現象。

「為了生產價格更合適的電動汽車，我們仍然需要大幅降低電池的製造成本，而對於智能電子設備，我們則需要體積更小，性能更好的電池。然而，傳統的鋰離子電池能量密度正在接近其理論極限，以致其可能無法提供給我們需要的性能。」Gleb Yushin說。

鋰離子電池主要受限因素是石墨陽極，目前石墨陽極已經差不多達到了其理論容量。備選方案嚴格受到元素周期表的限制：只有硅或鋰金屬有可能提供給鋰離子電池更高容量的陽極。

「用鋰金屬或硅基陽極替代石墨將增加鋰離子電池的能量密度，這意味著相同尺寸的電池將會包含更多能量，或者更小，更輕的電池將為可穿戴電子設備提供相同的能量存儲解決方案。」Yushin解釋說道。「就廣義而言，這兩種材料都有著類似的性能提升，但鋰金屬陽極需要在特殊且更昂貴的設施中加工。」

雖然這兩種材料都有其固有的待解決的問題，但鋰金屬陽極可能會遇到充電速度慢，低溫性能差，循環過程中體積膨脹以及不夠安全等一系列問題。Yushin認為，具有快速充電和優異低溫性能的硅陽極將會是更好的選擇。

包括Shinetsu Chemical、初創公司Angstrom Materials及其姊妹公司Nanotek Instruments、OneD Material等在內的多家公司正在開發和生產含硅添加劑，它們已經將少量含硅添加劑（通常高達3-5％）引入到了商業石墨陽極中，以提高一些電池製造商（例如日本松下公司）的商業電池的性能。雖然這是一個很有希望的舉措，但仍然需要更激進的措施來大幅提高電池性能。

正是因為考慮到這一點，Yushin於2011年與人合夥共同創立了Sila Nanotechnologies公司，用以開發和製造先進的硅電極。這家已經擁有100多名員工的矽谷公司開發出了一種納米多孔且硅佔主導地位的複合材料，可以完全取代目前的石墨陽極。這種材料的關鍵優勢是其多孔結構。在常規的鋰離子電池中，當陽極在名為插層反應的過程中充電吸收鋰離子時，存在著相應的體積變化，這可能會導致安全問題。石墨每六個碳原子可容納一個鋰原子，而硅陽極每六個硅原子可以儲存多達20個鋰原子，但是這會導致硅材料發生嚴重的體積膨脹。Sila公司的硅佔主導地位的複合材料陽極的內部孔隙可以在充電過程中適應這種體積膨脹，而對電池的外部尺寸幾乎沒有影響。此外，該材料可以在大容量的反應器中批量生產，很容易釋放產能，並且與當前用於生產石墨陽極的電池製造設備完全兼容。

Yushin說：「在實際生產的電池中，硅陽極可以提供高達40-45％的能量，並顯著提高充電速率，這對電子設備和電動汽車來說至關重要。」

最初，Sila公司的硅佔主導地位的複合材料陽極將提供20-25％的能量提升。然而，進一步的研發改進即將展開，公司希望看到其與寶馬汽車長期合作的科研成果可以被用在寶馬公司將於20世紀20年代初推出的下一代電動汽車上。

總部位於英國的新興公司Nexeon也主要專註於電動汽車的硅陽極研發，而位於加利福尼亞的Enovix與賽普拉斯半導體，英特爾和高通合作，於2014年開始為他們的手機產品/可穿戴設備市場生產使用3D 硅陽極技術的鋰離子電池。Sila正在考慮將其硅基陽極電池用於各種消費類電子設備中，計劃從今年年底或下年初開始供貨。

「Sila公司的陽極粉末在製造陽極時可作為石墨粉末的替代品，並可供全球的鋰離子電池製造商使用。」Yushin指出，「我們的電池技術將首先引入到智能手錶和其他可穿戴設備，無線耳機和手機中，其中設備製造商的主要優勢將是能夠在高度受限的電池體積中封裝更多和更好的功能（例如感測器和顯示器）。」

隨著對鋰離子陽極的改進來提升容量，用戶可以期望他們的移動設備變得更小，更智能，充電更快，持續時間更長。而更經濟實惠的電動汽車將無畏嚴寒，能提供更好的加速度，更長的行程和更優異的性能。

原文來自materialstoday，原文題目：Lithium-ion batteries charge to the next level，由材料科技在線匯總整理。

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