硅将掀起锂离子电池领域技术革新？

shuszhao

                               
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硅是数字革命的关键，现在，它又开始在锂离子电池领域展现应用潜力，而锂离子电池是解决长期气候变化危机的关键技术之一。

硅是上个世纪最重要的材料之一，它推动了数字革命，以及个人电脑、笔记本电脑和智能手机的诞生。即使对于近期爆发的新冠病毒疫情（Covid-19）危机，硅的价值也是显而易见的，它使许多公司、业务和个人通过智能设备和网络保持生产力。尽管Covid-19危机是目前全人类的当务之急，但气候变化带来的长期影响可能更具破坏性。硅是数字革命的关键，现在，它又开始在锂离子电池领域展现应用潜力，而锂离子电池是解决长期气候变化危机的关键技术之一。
将电池技术与硅晶体管所推动的数字革命相提并论或许有些夸大，但它们无疑是现代社会降低碳排放的核心技术之一。根据欧洲环境署（European Environment Agency）的数据，该地区的公路交通和运输占据了欧盟二氧化碳排放量的30%。在大多数情况下，纯电动汽车（BEV）是目前最适合降低这些碳排放的方案（暂不讨论氢能源、燃料电池以及生物燃料等）。
英国知名研究机构IDTechEx在其出版的《电动汽车-2020版》研究报告中总览了电动汽车市场，覆盖了锂离子电池可能不是最佳选择的细分车辆市场。尽管纯电动汽车是替代燃油引擎车辆（ICE）的理想方案，但它的前期成本仍然很高，且在续航里程和续航时间方面仍难以与燃油车竞争。

不断增长的规模经济、制造创新和垂直整合，将有助于推动电池价格的进一步下降，但进一步改善电池性能需要新材料和技术创新。IDTechEx最新发布的《锂离子电池技术及市场-2020版》报告，对该市场的所有主要趋势进行了详细的深入分析，包括硅在其中所扮演的角色。
目前，大多数纯电动汽车使用的是石墨负极（可能含有少量硅材料作为添加剂），有机液体电解质，以及采用锂镍锰钴氧化物（NMC）或锂镍钴铝氧化物（NCA）（特斯拉）的正极。目前采用这些材料的市场领先电池可以达到600~700 Wh/l的能量密度，可在大约40分钟内（适宜的温度条件）充到容量的80%，并且可以循环充放电大约2000次。这些电池可以使纯电动汽车的续航里程超过320公里，充满电的时间约为1小时，电池寿命可达10年以上。对于早期用户来说已经足够了，但对于大众市场来说可能还不够。更大的续航里程和更快的充电时间将在很大程度上解决这一问题。
硅在这两个方面都可以发挥作用。首先，理论上每个硅原子可以与3.75个锂离子结合，而相比之下，6个碳原子仅能与1个锂离子结合。这使硅材料的理论容量达到了石墨的10倍。下图展示了通过向负极中添加硅可以提高典型电芯能量密度的计算结果。

                               
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典型电芯能量密度随着负极中硅含量的增加而增加 ；数据来源：《锂离子电池技术及市场-2020版》

由于硅材料的工作电压、容量利用率、电极容量匹配和电极密度等方面的原因，其改进可能略低于预期，但仍有潜力显著提高电池的能量密度。然而，通过添加硅材料来改进锂离子电池并不简单。这种材料受到一个主要问题的困扰：硅在锂离子嵌入脱嵌过程中，体积会膨胀100%~300%。这会导致在材料内部产生较大的内应力，对材料结构造成破坏，共同降低了电极的导电性和循环稳定性。幸运的是，通过学术界和工业界的广泛研发努力，缓解这些问题的各种解决方案已经接近商业化。
稳定硅循环的解决方案之一包括使用高度多孔材料。这为硅的膨胀提供了空间，同时也能改善快速充电能力和低温工作性能，这对纯电动汽车来说是非常重要的指标。然而，多孔材料也给电解液的稳定性带来了问题，不过，新的问题也意味着新的机遇。数十家公司正寻求将硅主导的负极材料商业化，它们各自采取了不同的路线来稳定这种材料。硅的巨大前景以及锂离子市场的巨大增长潜力，帮助硅负极初创企业已获得超过7.5亿美元的融资。

                               
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对硅负极初创公司的大量投资，侧面证明了硅在锂离子电池领域的吸引力

简而言之，硅不仅可以提高锂离子电池的能量密度，而且可以提高电池的快速充电速度，有助于实现更清洁、更安静且更环保的交通出行。其主要的障碍是体积极具扩张/收缩而导致的问题，很多厂商已经投入了大量资金来解决这些问题，因此这些厂商不得不需要尽快开始转化为营收。为此，一些厂商正积极瞄准那些能够比汽车行业更快利用其解决方案的应用。
消费类设备和电动工具就是很好的目标领域，对于这些应用，IDTechEx相信硅负极材料很可能已经准备好进入市场。此外，这些厂商还必须证明这种新型硅材料和负极制造的经济性和可扩展性。对于纯电动汽车，可以理解的是，认证时间和开发周期会更长。IDTechEx预测，直到2020年代末，采用硅负极的锂离子电池才会在市场上占据显著份额。
IDTechEx在最新的《锂离子电池技术及市场-2020版》报告中对硅负极、相关厂商以及潜在市场进行了更深入的分析，并对锂离子电池市场及其广泛技术进行了全面概述。此外，IDTechEx还针对储能市场提供了分析和见解

桂林y