中國粉體網訊 基恩伯迪切夫斯基，作為特斯拉的第7號員工，他領導的團隊為特斯拉的第一款汽車Roadster設計了鋰離子電池組，這款汽車讓全世界相信了電動汽車的重要性。十年后，電動汽車可以與普通的耗油汽車相抗衡，但在電池的保質期和電池的能量容量之間仍然存在很大的權衡。伯迪切夫斯基意識到，如果想要讓我們的道路完全電氣化，就需要采取一種完全不同的方法。
2011年，伯迪切夫斯基創(chuàng)立了Sila Nanotechnologies來制造更好的電池。他的秘密成分是納米硅粒子，當它們用作電池的負極時，可以給鋰離子電池充電。如今，Sila是少數(shù)幾家競相將鋰硅電池帶出實驗室、投入現(xiàn)實世界的公司之一。在現(xiàn)實世界中，它們有望在從耳塞到汽車等各種電子設備的外形和功能方面開辟新的前沿。
Sila Nano長期方針是高能電動汽車，但目前第一步是向小型設備進軍。伯迪切夫斯基計劃明年在消費電子產品中使用第一塊鋰硅電池，他說，這將使電池每次充電的續(xù)航時間延長20%。作為大多數(shù)現(xiàn)代電子產品的數(shù)碼心臟原料，硅和鋰是與蝙蝠俠和羅賓齊名的動態(tài)組合。
當鋰離子電池充電時，鋰離子會流向負極，負極通常由一種叫做石墨構成。如果你把石墨換成硅，更多的鋰離子可以儲存在負極上，這就增加了電池的能量容量。但是把所有這些鋰離子塞進電極會導致它像氣球一樣膨脹;在某些情況下，它甚至可以增長到四倍大。
膨脹的負極可以粉碎納米硅顆粒，并打破負極和電池電解質之間的保護屏障，從而將鋰離子輸送到電極之間。隨著時間的推移，負極和電解液之間的邊界處會形成污垢，既阻礙了鋰離子的有效轉移，又使許多鋰離子失去功效。
解決這個問題的一種方法是在石墨陽極上撒上少量的氧化硅。這就是特斯拉目前的電池方式。氧化硅是預膨脹的，所以它減少了負極在充電過程中膨脹的壓力。但它也限制了可以儲存在正極的鋰數(shù)量。以這種方式給電池充電不足以帶來兩位數(shù)的性能提升，但有總比沒有要好。
NanoGraf的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術官凱瑞海納認為，可以在不損失硅氧化物的能量容量的情況下充分利用硅和石墨。在NanoGraf，他和他的同事通過在石墨烯中嵌入硅顆粒來提高碳硅電池的能量。他們的設計使用了石墨烯基質，使硅有膨脹的空間，并保護負極不受電解液的破壞。海納說，石墨硅陽極可以使鋰離子電池的能量增加30%。
但是要把這個數(shù)字推到40%到50%的范圍，你必須把石墨完全排除在外。多年來，科學家們已經知道如何制造硅陽極，但他們一直在努力擴大制造過程中涉及的先進納米工程流程。
Sila是最早發(fā)現(xiàn)如何大規(guī)模生產硅納米顆粒的公司之一。他們的解決方案是將硅納米顆粒封裝到一個堅硬的外殼中，以保護它們不受電池電解液的破壞。外殼的內部基本上是一個硅海綿，它的多孔性意味著它可以適應電池充電時的膨脹。
這與材料制造商Advano采用的方法類似，后者在新奧爾良的工廠生產成噸的硅納米顆粒。為了降低生產納米顆粒的成本，阿德瓦諾的原材料來自于生產太陽能電池板和其他電子產品的公司的硅片。阿德瓦諾工廠使用化學工藝將晶圓磨成高度工程化的納米顆粒，用于電池負極。
“真正的問題不是‘我們能得到一個強大的電池嗎?'問題是，我們能否讓電池便宜到足以制造數(shù)萬億個這樣的電池?”Advano的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官亞歷山大吉羅表示。
到目前為止，這些公司都沒有看到他們的陽極材料被用于消費產品，但他們都在與電池制造商進行談判，以實現(xiàn)這一目標。Sila預計其陽極將在一年內用于無線耳機和智能手表。投資了iPod聯(lián)合創(chuàng)始人托尼法德爾(Tony Fadell)的Advano也在進行談判，希望在不久的將來將其陽極應用于消費電子產品。雖然離電動汽車還有很長一段路要走，但證明這項技術在電子產品中也能發(fā)揮作用，是朝著這個方向邁出的一小步。
佐治亞理工學院的材料科學家馬修麥克道爾(Matthew McDowell)說:“電池的發(fā)展速度不如其他技術領域，比如計算機�！彼f，原因在于電池負極用硅代替石墨所涉及的變量之間復雜的相互作用。這不僅僅是增加能量密度的問題，還要確保這不會降低電池的熱穩(wěn)定性、充電率或壽命。
麥克道爾說:“大規(guī)模設計新材料，在滿足所有其他指標的同時提高產能，是一個重大挑戰(zhàn)。
這就是為什么公司從小型消費電子產品開始，制造第一波硅鋰電池。斯蒂芬森可再生能源研究所的主任勞倫斯·哈德威克說，它們是“唾手可得的果實”。電子產品中的電池只能使用幾年。電動汽車需要電池壽命超過10年，并能處理日常充電、各種溫度變化和其他獨特的壓力。哈德威克說，制造一種能在更長時間內保持高能量的鋰硅電池是一個“更大的挑戰(zhàn)”。
伯迪切夫斯基很清楚大規(guī)模生產一種可用于電動車的鋰硅電池所面臨的障礙。他預計至少要到2025年才能在商用電動汽車上看到硅陽極。但他相信，一旦他們問世，它將再次重塑汽車工業(yè)。
（中國粉體網編輯整理/江岸）
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