添加硅可将锂离子电池容量提高多达70%

IEEE电气电子工程师学会 2019-03-18 21:36

新阳极材料将使电池的储电能力更强。

曾几何时,早期发明家们得到的建议是制作更好的实用工具,比如捕鼠器,而现在,他们已经可以制作更好的锂电池了。锂电池可以为手机、笔记本电脑、便携式电动工具、汽车,甚至是整个家庭供电。有些行业正在尝试使用巨型锂电池来储存太阳能电池板中的能量,以便在天黑后使用。锂离子电池这些年来发展得越来越好,在锂离子电池中使用电子行业并不陌生的元素——硅,则有望使电池的性能在2019年大幅提升。

硅之所以能够提升锂电池性能,原因在于一些基本的电化学原理。在充电期间,锂离子从正极(即阴极)向负极(即阳极)移动;放电时,锂离子往相反的方向移动,即从阳极到阴极。因此,这种电池充电相当于在阳极中储存锂。如果电池可以存储更多锂,它就能储存更多能量。

在智能手机、笔记本电脑和大部分电动汽车所使用的普通锂离子电池中,负极由石墨(碳的一种存在形式)制成,锂以LiC6的形式存储在电极中,其中每个锂原子被6个碳原子包围。

多年来,电池开发人员一直在尝试用硅来代替负极中的碳,因为锂离子可以与硅结合形成Li15Si4。15:4的比例意味着可以用更少的负极材料储存更多的锂。因此,硅负极的容量更大。

问题是,在充电的过程中,硅与锂的反应会使硅的体积产生近300%的膨胀;放电过程也是如此。重复的充放电循环会导致材料衰变,进而使负极的表面积更大,然后与电解质发生化学反应,从而损坏电池。因此,含有硅负极材料的电池寿命往往不够长。

令人高兴的是,硅的膨胀问题也不是不能克服。现在,有些锂离子电池的负极包含了含硅颗粒,这些颗粒与二氧化硅(也就是沙子的主要物质)结合在一起并有一层碳涂层。2016年,埃隆•马斯克透露,特斯拉的锂电池就是通过这种方式制造的。不过,目前负极中的硅含量很少。

预计这一情况将在2019年发生变化。首先,位于加州的初创公司——Sila纳米技术公司计划将富硅的负极材料商业化。公司联合创始人兼佐治亚理工学院教授格莱布•友信(Gleb Yushin)表示,Sila公司为现有的电池制造商开发了一种“嵌入式解决方案”,预计将于2019年投入商业生产。

使用这种负极材料一开始可将电池容量提高约20%,最终将提高40%甚至更高,具体取决于应用情况。此外,友信解释说,它可以使负极的厚度降低67%,有可能使电池充电的速度提高到原来的9倍,他还表示,这也会使电池的安全性更高,因为它可以抑制线状金属枝晶的形成,线状金属枝晶会导致电池内部短路,甚至引起爆炸和着火。

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友信表示,公司的新型负极材料的颗粒与现在用于负极的石墨颗粒差不多大小,但硅位于多孔支架内,这为硅提供了膨胀和收缩的空间,而不会与电解质接触。因此用这种富硅负极材料制成的电池可较好地实现400到1000次完全充放电循环,对于大多数应用来说都已足够。“即使是电动汽车,电池的循环次数通常也不需要超过1000次。”友信说。

这种特点引起了德国宝马汽车公司的兴趣。宝马正在与Sila公司合作,探索采用新型负极材料制造的锂离子电池是否可用于其电动汽车。不过,友信说:“最早应用的产品将是可穿戴设备。”因为对可穿戴设备而言,电池成本不是关键因素,所需的负极材料数量会比较少,因此Sila公司能够轻松地满足需求。友信期望2019年能有数百万台设备用上采用Sila负极材料的锂离子电池。

除了Sila,今年可能还会有其他公司推出硅电池技术。另一家位于加州的公司Enovix有望推出一种完全由硅和氧化硅制成的负极材料。

2017年,Enovix的联合创始人兼首席技术官阿肖克•拉希里(Ashok Lahiri)和他的两位同事曾详细介绍了该公司的电池技术。当时,Enovix计划借用半导体行业的制造技术,使用薄薄的太阳能级硅晶片来制造电池,但该公司在研究了如何将电池技术应用于更大的车用锂电池后,又重新考虑了这一策略。“我们发现太阳能级基板无法大规模使用。”拉希里说。

因此,Enovix改进了方法,现在使用金属箔代替硅晶片作为其电池的基板,电池的整体几何形状保持不变。拉希里说,不同之处主要在于构造,在于组件的堆叠方式。他解释说,将负极堆栈保持在高压下可抑制充电过程中的膨胀,并且完全可以只采用硅和氧化硅来制造负极。

“我们的电池容量将提高30%到70%,具体取决于应用情况。”拉希里说。如果是这样,那么Sila也可以生产出将电池容量提高两位数的负极材料,不出意外的话,它将真正改变电池行业,因为这个行业正如拉希里所说:“哪怕电池容量只提高5%或10%,人们也会争相使用。”

文章来源:悦智网。发表在IEEE Spectrum上的英文原文可点击“阅读原文”查看。

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