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  • 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。

    伊斯特化学主打产品:电子级N-甲基吡咯烷酮(NMP)和单壁碳纳米管(SWCNT)。

    N-甲基吡咯烷酮(NMP)属于氮杂环化合物,是一种无毒性、沸点高、极性强、粘度低、腐蚀性小、溶解度大,挥发度低,稳定性好,易回收的高效选择性溶剂。是生产锂离子电池非常重要的辅助材料,一般作为正极涂布溶剂,或作为锂电池导电剂浆料溶剂。

    单壁碳纳米管(SWCNT)是锂离子电池的一种新型导电剂,添加量少、能降低电极内阻、可改善常温循环和高温循环,提升能量密度,为锂离子电池提供卓越的导电性能。
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