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电池的硅时代:电子产品的主要材料现在正在产生更好的能量存储

时间:2023-08-24   访问量:139

自三十年前锂离子电池商业化以来,这种便携式、高密度(并荣获诺贝尔奖)的储能技术已经彻底改变了消费电子、电动汽车和大规模储能领域。然而,即使该技术取得了巨大进步——例如,1991 年至 2018 年间价格惊人地下降了 30 倍——最大的改进主要发生在锂金属氧化物阴极方面。相比之下,锂离子电池的石墨阳极基本保持不变。

硅长期以来一直有望作为阳极介质,因为按重量计算,它可以容纳的锂离子数量是石墨的 10 倍。事实上,硅作为锂电池阳极的首次使用记录甚至早于石墨七年。但该元素的实验一直受到技术挑战的困扰,包括加载锂离子时阳极的体积膨胀以及阳极膨胀和收缩时可能发生的材料断裂。

然而现在,经过大约 15 年的渐进式改进和希望的破灭,硅作为电池主要材料的时代终于到来了。

“硅改变了我们存储信息的方式,现在它正在改变我们存储能量的方式。”

–Rick Costantino,Group14

一些汽车制造商和硅阳极初创公司已经联手生产续航里程更长、成本更低的电动汽车,这些电动汽车可能会在十年中上路行驶。通用汽车公司和位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的OneD Battery Sciences正在将 OneD 的硅纳米技术应用到通用汽车公司的 Ultium 电池中。位于加利福尼亚州阿拉米达的Sila Nanotechnologies的硅阳极自 2021 年以来一直为 Whoop 健身追踪器提供动力,到 2026 年将用于梅赛德斯 G 级 SUV。位于华盛顿州伍丁维尔的 Group14 Technologies应该将其硅电池设置在明年将推出保时捷电动汽车。

2022 年底,位于加利福尼亚州弗里蒙特的 Group14、Sila 和Amprius Technologies筹集了近 5 亿美元,用于将其阳极材料商业化,其中美国能源部提供了 2.5 亿美元,Group14 还获得了另外 2.14 亿美元的私人投资。这三个公司都计划在未来几年内建设并运行国内千兆瓦级工厂。Group14 于 4 月开始在华盛顿州摩西湖建设一座 20 吉瓦发电厂。

“硅已经改变了我们存储信息的方式,现在它正在改变我们存储能量的方式,”Group14 的首席技术官 Rick Costantino 说道。

与采用当今石墨阳极电池的电动汽车相比,硅有望提供更远的续航里程、更快的充电速度和更实惠的电动汽车。它不仅吸收更多的锂离子,还能更快地让锂离子穿过电池膜。作为地壳中最丰富的金属,它应该更便宜并且更不易受到供应链问题的影响。目前来看,几乎所有石墨负极材料都是在中国加工的。

据报道,特斯拉在其电池阳极中添加了高达 5% 的硅。但硅阳极初创公司希望走得更远。

当研究人员首次开始探索硅用于锂电池阳极时(如上所述,是在 1976 年,当时石墨还没有成为妥协的解决方案),硅在充电和放电过程中的剧烈膨胀和收缩很快使阳极解体。不良的副反应使充电过程变得复杂,并缩短了电池寿命。

包括特斯拉在内的一些商业电池制造商通过添加少量(通常最多 5%)的硅来提高电池阳极的锂容量。但硅阳极初创公司希望走得更远。

他们中的大多数人都将纳米工程硅视为解决膨胀和副反应问题的方法。斯坦福大学材料科学教授 Yi Cui 和他的实验室于 2008 年在《自然纳米技术》杂志上发表了一篇关于耐膨胀硅纳米线的论文,开启了这一研究领域。其他人很快对此进行了不同的研究,包括球形硅纳米颗粒、由硅核组成的核壳型颗粒,周围有保护涂层,以及表面经过蚀刻的硅颗粒。

Cui 于 2008 年与他人共同创立了 Aprius,致力于将硅纳米线阳极技术商业化。该公司改进了直接从金属集流体基板生长纳米线的工艺。纳米线的膨胀程度不如球形纳米粒子。该公司首席技术官 Ionel Stefan 表示,该公司选择纯硅是电池能量密度高的原因。这种薄薄的多孔材料还可以让电量耗尽的电池在 10 分钟内达到 90% 的充电状态。

今年 3 月,Amprius报道了一种硅阳极电池,其认证能量密度达到创纪录的每公斤 500 瓦时,大约是当今电动汽车电池的两倍。空中客车公司和英国航空航天系统公司已经在飞机上使用该公司的电池。Amprius 希望通过提高位于科罗拉多州博尔德市将于 2025 年开业的 5 吉瓦工厂的产量,为无人机和空中出租车等商业飞行应用降低足够的成本。

OneD Battery Sciences 首席执行官兼联合创始人 Vincent Pluvinage 表示,Amprius 阳极技术的缺点是“价格昂贵,而且其生产需要与现有大型电动汽车电池工厂不兼容的专有阳极”。这就是安普瑞斯目前瞄准城市航空运输等利基应用的原因。

Pluvinage 表示,OneD 的重点是到 2026 年将价格实惠的电动汽车推向市场。OneD 还使用硅纳米线,但该公司将纳米线注入石墨颗粒的内部孔隙和表面。添加硅加工成本每千瓦时不到 2 美元,生产的电池能量密度为每公斤 350 瓦时,10 分钟内充电 80%。Pluvinage 表示:“虽然硅被视为一种高度工程化且昂贵的材料,但 OneD 已经找到了打破这一成本障碍的解决方案,并有效地将适量的硅添加到电动汽车电池中。”

Group14 和 Sila 都通过设计外观和性能类似于当今用于制造阳极的黑色石墨粉末的硅材料来保持低成本。他们表示,这将允许在现有电池设施上进行直接更换。“你不需要改变电池的制造方式……硅阳极可以在同一家工厂制造,”Sila 的首席技术官 Gleb Yushin 说。Yushin 是佐治亚理工学院的材料科学教授,他于 2011 年与前特斯拉工程师 Gene Berdichevsky 共同创立了 Sila。

Sila 的硅粉由纳米结构硅和其他材料的微米级颗粒组成,周围环绕着由另一种材料制成的多孔支架。与采用石墨阳极的电池相比,该材料使电池的能量密度提高了 20%(这意味着电动汽车的续航里程增加了约 160 公里)。该公司表示,计划未来将这一数字增加一倍。

“在材料层面上,它最终应该比石墨更便宜。”

—Gleb Yushin,Sila Nanotechnologies

Sila 的复合材料解决了硅的两个关键问题,即膨胀和与电解质的反应。纳米结构多孔材料中的空间允许硅在不损坏的情况下膨胀;Yushin 解释说,支架允许锂离子通过,同时防止与电解质发生反应。

Sila 目前在加利福尼亚州的一座中试规模工厂生产阳极材料,并计划在华盛顿州建造一座 20 吉瓦的工厂。该公司表示,该工厂将在未来五年内生产出足够为 100 万辆电动汽车提供动力的阳极材料。“我们成立这家公司是为了推动电动汽车革命,”有信说。“当规模扩大时,成本总是会大幅下降。在材料层面,它最终应该比石墨更便宜。”

Group14 正在利用其在制造用于电池和超级电容器的多孔碳材料方面的专业知识。该公司采用专利工艺,通过一步和一次反应制造微米尺寸的多孔碳颗粒,然后使用化学气相沉积将硅放入孔内。首席技术官 Costantino 表示,内部形成的硅是非晶态的,而不是晶体,与竞争对手使用的硅不同。“非晶硅是能量存储的理想形式。它是最稳定的形式,具有高容量和更长的循环寿命。”

Costantino 表示,该公司在韩国的 10 吉瓦工厂是与电子和显示器材料领先制造商 SK Materials 合作建造的,预计将在未来几个月内投产。该公司的 20GW 工厂将于明年投产。与 Sila 不同的是,Group14 正在研究电动汽车以外的交通应用,包括空中出租车和电动垂直起降飞机。

纳米结构硅可能不是将硅放入阳极的唯一方法。位于加利福尼亚州欧文市的Enevate采取了完全不同的方法。该公司没有设计硅纳米粒子和纳米线,而是 直接在铜箔上沉积数十微米厚的多孔硅薄膜。其硅阳极电池现已应用于加利福尼亚州 Lightning Motorcycles 的新型电动自行车中,只需充电 10 分钟即可行驶约 220 公里的电动汽车续航里程。

与此同时,NanoGraf选择了另一种方法来增加石墨阳极中的硅含量。这家芝加哥初创公司生产一种氧化硅材料,将其预膨胀以使其更加稳定。其阳极将电池的能量密度提高了 10%,该公司目前正在生产更轻的电池组,士兵可以携带这些电池组为其通信设备、护目镜和其他设备供电。

由于所有这些公司都在竞相提高产量和降低成本,因此它们还必须面对来自其他正在推动锂离子电池发展的化学电池开发商的竞争。锂金属、锂空气和锂硫只是其中的几种。在斯坦福大学,崔本人正在广泛研究使用纯锂作为阳极的锂金属电池。“我称其为电池的圣杯,”他说。崔说,他的团队以及美国Battery500联盟(由四个国家实验室和五所大学组成的团体)等其他组织在锂金属阳极方面取得了巨大进展,但它们仍然存在安全风险,电池有时会起火。此外,锂金属和其他技术将需要从头开始重新设计电池。

“锂至少在五年内不会上市,”他说,但您已经可以订购硅阳极材料。“硅现在正在发生。这是硅的时代。”

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