矽負極材料研究應用:密度打破鋰電池極限?

2020-11-22 OFweek維科網

　　最近，他們又以廉價軟碳材料(炭黑、石油焦、針狀焦等)和矽粉(商業納米矽粉、廢觸體提取的矽粉)等為原料，通過噴霧成球並高溫處理，得到多種微球複合負極材料，並申請了國家發明專利(201310053208.5、201310108230.5、201310214417.3)，部分研究結果將陸續發表。

　　上述部分材料將進入放大生產試驗，相關研究得到了中科院百人計劃、國家自然科學基金、中科院院地合作局、多相複雜系統國家重點實驗室和相關合作企業的資助。

　　矽負極高能量密度電池商用 打破鋰電局限？

　　矽負極的能量密度是石墨碳負極的10倍，目前通過矽負極材料的引入來提升電池能量密度已是業界公認的方向之一，日韓等大電芯廠商都在做矽負極電池的商業化，中國一些電池廠商也在跟蹤，但是至目前為止還沒有看到量產的產品。雖然都知道採用矽負極材料，但是各家的實現方式不一樣，這就是各自的know how了。

　　這裡，有一家神秘美國Amprius Inc(安普瑞斯公司)已開始在中國市場提供矽負極材料的高能量密度電池，去年底開始供貨給深圳的一家手機公司，目前出貨已近十萬，這應該算是矽負極高能量密度電池的首個商用案例。

　　

　　這家新興的公司雖然成立才五年(09年成立)，但是它的背景卻十分強大：前谷歌董事長施密特參與了首輪投資，而技術的主要發明人則是美國史丹福大學材料科學和工程系終身教授崔屹博士，在史丹福大學還有一個「崔屹實驗室」。

　　崔屹畢業於中國科學技術大學，美國哈佛大學博士。目前安普瑞斯公司已獲得多個知名投資機構的青睞，除了谷歌董事長施密特外，包括美國Trident資本、美國VPCP資本、美國KPCB資本等都已是他們的投資人，而美國前能源部長諾貝爾物理獎獲得者朱棣文博士也是它的董事之一。

　　安普瑞斯到底有什麼「know how」，讓它成為矽負極高能量密度電池的首個商用公司，讓這麼多大腕爭相參投？它能帶來的能量密度到底有多少提升呢？

　　

　　「核-殼」結構突破量產障礙，能量密度提升40%

　　「矽負極材料目前面臨的最大挑戰是控制矽膨脹，業界想了很多辦法來克服矽膨脹。而崔屹博士發明了核 – 殼矽納米線結構，成功克服了控制矽膨脹。」安普瑞斯員工何向陽介紹，「形象的比喻就是做成雞蛋的形狀，在矽的外面包一層碳的「蛋清」，從而控制了膨脹。」(如下圖一)。

　　

　　圖中第一個圖的架構是第一代產品，目前已經上市，能量密度可以做到650WH/L，比目前市場上普通的電池能量密度高出約20%左右。第二個圖是馬上要量產的第二代產品結構，比第一代產品的能量密度能再提升10%-20%。但是，嚴格上來說，這兩種結構還不是純矽負極，而是矽碳混合負極。

　　「我們目前在研發的第三代產品才是純矽負極材料，它需要用全新的電芯生產線來生產，設備都需要我們自己研發，它會採用半導體晶園生長的方式來實現矽我負極材料的生成，這個能量密度將可達到 900WH/L，預計明年可以進行小批量試產。」他解釋。「以目前的石墨碳負極電池的能量密度，達到600WH/L差不多已到極限，而採用矽負級能迅速讓電池能量密度提升。」何向陽解釋。(如下圖二)

　　

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