用于电动汽车电池的硅基阳极将能量密度提高25%

随着向电动汽车的转变在世界范围内取得重大进展，电池制造商正在努力提高电动汽车 （EV） 电池所用材料的性能。任何锂离子 （Li-ion） EV 电池的主要组件都是阳极、阴极、隔膜和电解质。

尤其是负极材料决定了车辆电池的充电速度，并且随着能量密度的增加，有助于延长每次充电的行驶里程。尽管迄今为止石墨基材料已广泛用于阳极制造，但越来越多的电池制造商正试图提高硅的贡献，以提高能量密度并减少充电时间。

在这种竞争激烈且对电动汽车的未来至关重要的情况下，两家从事电动汽车电池开发和生产的领先公司开发和实施的技术寄予厚望。商业电池材料制造商 Group14 Technologies 和由梅赛德斯、沃尔沃和吉利支持的电池制造商 Farasis Energy 最近宣布了第一个用于电动汽车级电池的硅基阳极，能够将能量密度提高 25%比目前市场上的任何 EV 电池都高。这一成就代表了电动汽车的一个相关里程碑，加速了将性能更高的电动汽车推向市场。

Group14 Technologies 的首席技术官兼联合创始人 Rick Costantino 表示：“这是第一款提供如此性能提升并增加能量密度的汽车格式电池。“我们对相关性能感到非常兴奋，与标准锂离子电池相比，性能提高了 25%。”

能量密度提高 25% 意味着，在质量或体积相同的情况下，电动汽车的行驶时间将延长 25%。通过提高能量密度，也可以降低电池的成本。除了更高的能量密度，新型硅碳阳极还表现出出色的稳定性和耐用性，这是汽车应用的两个关键因素。

“凭借这种电池提供的性能，我们将帮助内燃机更接近成本平价，如果不是平价的话，”科斯坦蒂诺说。

SCC55? 材料

Group14 Technologies 开发的锂硅技术使用名为 SCC55? 的硅碳负极材料，经证实可显着提高能量密度，在典型汽车电池中，充放电超过 1，000 次时可达到 330-Wh/kg 值循环。此外，电池 EV 电池的体积能量密度为 750 Wh/L。使用石墨作为负极材料的传统电动汽车锂离子电池可以达到 260-Wh/kg 的能量密度，因此与传统锂离子电池相比，性能的提高代表了电动汽车应用的真正进步。

Group14 的工程师和电动汽车极快充电 （XFC） 电池技术的先驱 StoreDot 进行的测试也证明，带有 SCC55? 阳极的电池可以在不到 10 分钟的时间内从 10% 充电到 80%分钟，这是在解决影响电动汽车车主的所谓里程焦虑方面向前迈出的重要一步。与传统锂离子电池相比，这种性能提升代表了电动汽车应用的真正突破。

当硅被重新设想为最理想的储能形式——无定形和纳米尺寸时，其体积容量是石墨的 10 倍。SCC55? 是一种精确配制的碳、硅和空隙空间混合物，可作为任何混合比例的石墨的直接替代品或作为总位移提供无与伦比的能量密度和生命周期稳定性。

SCC55?是一种微粉化的硅碳粉末，可以通过设计进行调整，并且随时可用。

对于锂离子电池阳极，SCC55? 提供比普通石墨高 5 倍的容量和高达 50% 的能量密度。由于其独特的硬碳基支架，硅保持在最佳状态（无定形、纳米尺寸和碳包裹）。结果是一流的负极材料在循环锂离子电池时具有出色的首次循环效率和长寿命。这种材料可随时用于任何应用，具有集成的颗粒内空隙空间和较小的表面积，并且由常用的、非奇异的、超高纯度的材料制成。

该材料可以通过获得专利的两步工艺制造：Dryrolysis?（用于合成多孔硬碳支架）和 Siligenesis?（用于制造易于调节的非晶硅）。这两个过程以图形方式显示在图 2 中。

干解是一种非常有效且生态友好的碳合成方法，可用于创建理想的碳支架。通过将干聚合与热处理相结合，这项新技术消除了对溶剂的需求，并且具有高度的可扩展性。该平台为硅碳复合材料提供了最佳的碳支架，允许保留无定形、纳米尺寸的硅。干解的独特之处在于它是在单相和单个反应器中完成的。

硅生成是 Group14 Technologies 制造硅负极材料的过程。这种独特的策略使用非外来前体在多孔碳支架内转化为硅，以在碳支架内提供硅和定制的内部空隙空间。硅生成不仅提供了硅的完美形状，而且还允许硅在复合材料剩余的颗粒内空隙内膨胀和收缩，从而进一步提高电化学性能。

图 2：创建 SCC55? 材料的两个过程

Group14 正在其位于华盛顿州伍丁维尔的商业规模电池活性材料 （BAM） 工厂制造和交付其锂硅电池技术，该工厂的年产量为 120 吨。作为 Group14 Technologies 与 SK 材料合资企业的一部分，下一家 BAM 工厂已经在韩国部署。第三家 BAM 工厂将在华盛顿东部建立，并且每年能够部署 2，000 吨模块。为了到2023年大规模部署其技术，Group14还在考虑增设第四家BAM工厂（国内第三家BAM工厂），该公司也在讨论建立欧洲BAM工厂。随着他们继续扩大生产规模，Group14 将继续与电池生态系统中的各种合作伙伴合作，包括 InoBat 和 StoreDot。

既然 Group14 已经证明了其新型材料的稳定性以及它如何支持快速充电，下一步可能会谈论 33%、50% 甚至更高的改进，完全取代石墨。

“我们面临的挑战之一是让汽车原始设备制造商充分利用我们材料的潜力，”Costantino 说。“我认为我们实现了 25% 的改进真是太棒了，但如果我们看看阳极中石墨的完全置换，我们知道我们可以实现更高的能量密度，可能高达 50%。”

在应用方面，Group14 的技术可以成功应用于电动汽车、消费电子、医疗设备和航空航天行业。

“当然，电动汽车是最大的市场，它可能是我们最能获得投资者关注的市场，”科斯坦蒂诺说。“但是，我们在各种应用中，例如消费电子、可穿戴设备、航空电子设备、家用电器、医疗设备和电动汽车。我们几乎在任何可以使用锂离子电池的地方。”

审核编辑：郭婷