不到10分钟充电98%，3D结构硅基电池到底是啥技术？

硅负极锂电池，迎来了最新的进展：美国电池制造商Enovix在一块0.27Ah的硅负极动力电池单元上，成功实现0-80%充电只用5.2分钟；0-98%充电在10分钟以下的6C快充。比美国先进电池联盟（USABC）目前快充目标减少近2/3。

而且，在保证电池寿命的前提下实现了这一数据。官方循环寿命数据：1000次循环后电池容量还能保持在93%，而主流三元锂电池1000次循环后，容量只能剩下80%左右。在理论上证明了硅负极锂电池，快充和电池循环兼得的可行性。

而这背后的技术，正是Enovix的看家专利：3D Silicon电池结构。

如何做到兼顾使用寿命和速度？

在官方新闻稿中，Enovix给出了两个关键信息：硅负极材料，以及Enovix的独家专利：3D Silicon电池结构。

先说硅负极材料

众所周知，硅基负极材料比目前主流的石墨负极材料有两个优势：

首先，单位容量高，数据表明，采用硅作为负极材料的锂电池，理论容量可以达到4200mAh/g，相比之下，目前主流的锂电池单位容量则为365mAh/g，两者差距在10倍以上。
用“电池容量=单位能量密度×体积/质量”的公式简单推导，意味着硅基电池的能量密度也可以达到石墨负极材料的10倍以上。

其次，硅材料在地球上的矿物储量极为丰富，对环境本身更加友好，这也是经济和环境方面的优势。

最后，石墨负极锂电池在充放电过程中，会因为锂电镀过程而形成枝晶，从而可能穿透隔膜引起短路等安全问题，这也是影响锂电池充电速度的重要因素，而硅元素则可以抑制枝晶的生长，从而在充电速度上形成优势。

基于以上优势，硅负极电池也被视为锂电池未来的发展方向。

“未来”，代表趋势，也代表还有未解决的问题，具体到硅负极电池而言，如果想在电动汽车领域成功商业化，还需要消除一个最重要的障碍：

充电膨胀问题，资料表明硅嵌锂形成硅锂合金化合物的过程中，体积膨胀可以达到300%-400%，远远高于石墨负极材料电池。

这一特征有2个隐患：硅负极电池在充电过程中会导致硅材料和导电剂脱离，导电性降低，结果是电池容量快速衰减，降低循环寿命。

巨大的膨胀变化会使电极膜变大开裂，最后使活性材料从集流体上脱落，造成电池内阻增加，发热量加大，带来严重的电池安全问题。

因此，硅负极材料优势很明显，电池容量和能量密度有巨大优势，但劣势同样明显：寿命短。这两个问题，从当下纯电动车动力电池的需求角度看，几乎就是原罪。

所以，Enovix如何解决？

在这里，就要讲到第二个关键点：3D Silicon电池结构。传统的缠绕式电池结构是将电池的正负极和隔膜叠加在一起，然后像卷纸一样卷起来。

传统结构的缺点是，为了避免电池内部出现短路，隔膜通常比正负极做得更宽，浪费了储能空间。

根据官方信息，这种结构设计参考了芯片的制造工艺。具体来说，就是用1毫米厚的硅片做电池，用光刻的方式在硅片上做凹槽，然后在凹槽中用电镀的方式镀上电池的导电层，然后在凹槽中再填充正极材料和隔膜。

根据官方数据，这种结构可以将储能材料的空间利用率提高到75%，可以在单位容量上减小电池体积。这种电池结构除了提高容积外，更大的优势在于，在保证高能量密度和快充速率的基础上，提升了硅负极电池的循环次数和使用安全。

而这方面，Enovix并未透露，但我们在查阅Enovix相关的论文和专利时，发现了2个关键点：

一方面，是微观层面，3D Silicon电池在硅板上蚀刻凹槽的时候，会提前为硅负极预埋空隙，用于解决硅嵌锂过程中膨胀可以内部消化，而不至于挤压电池空间，形成短路。

另一方面，3D Silicon电池还用到了一种叫做BrakeFlow的技术，来抑制电池在发生短路的情况下热失控。

具体来说，就是在多个电池板叠加的情况下，在连接到每个单元的母线上设定一个固定的电阻，这样在内部短路的情况下，可以调通过BrakeFlow调节通过短路处的电流，限制让短路区域过热出现热失控的情况。但这个BrakeFlow的发生机制和背后原理，Enovix官方并未透露。

最后，基于硅负极材料和独特的电池结构设计，硅负极电池具体表现怎么样？Enovix放出了实验结果:

基于一块0.27Ah的电池单元，在4.2–2.5V电压，6C充电倍率（电池容量的6倍）的情况下，实现了0-80%充电时间5.2分钟，98%电量以上的充电时间保持在10分钟以内。

同时，能够在1000次以上循环充电后，依然保持93%的电池容量，性能远远高于目前主流三元锂电池1000次循环后容量80%左右的数据。

当然，这只是在0.27Ah小电池单元上实现的实验数据，最终能否成功商业化，还是个未知数。不过从官方的业务中可以看出，采用同样结构的硅负极锂电池，已经在3C消费领域得到商业应用，据悉其产品能量密度可以达到900Wh/L。而根据Enovix此前的规划，进军电动车动力电池领域，定在了2023-2024年。

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