利用硅阳极电池为下一代电动汽车提供更快速的充电

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为了创造更加可持续的未来，汽车制造商们正努力引进新型的电动汽车（EV）。这些电动汽车的问世会使对于能源的需求发生重大改变，我们需要更强大的快速充电网络，而硅（Si）阳极电池有可能是实现这一点的关键技术。Coretec集团（The Coretec Group）的首席执行官（CEO）Michael Kraft接受了《Power Electronics News》的采访，我们重点讨论了这些新方案的特性，并分析了有哪些材料可以促进电动汽车的发展。 Coretec集团致力于为多个有前景的市场研发并商业化新技术，例如储能，太阳能，固态照明，可打印电子产品和3D显示器。
Kraft说：“我们的研究重心是各种应用于下一代技术的先进材料，以应对各种全球的挑战性领域，例如半导体，太阳能电池板，LED和用于大功率和快速充电的下一代硅阳极电池。我们一直在寻找用于实现这些下一代技术的材料，以及可以与之合作或可以收购的企业。目前，我们的投资重点是环己硅烷（CHS）的商业化。”
Kraft指出，Coretec 集团的产品系列主打硅产物的生产，首先是环六硅烷（Si6H12），这是一种液体，当暴露于热或紫外线时会转变为纯硅，暴露初期形成非晶硅，然后随着暴露量的增加，转变为结晶硅。

CHS是一种纯物质，是能量存储先进应用中的关键。通过与Evonik的合作，Coretec集团为客户提供了CHS样品进行评估；Evonik可以提供大量生产所需的材料。 CHS的纯度可以被改变，来满足特殊的市场应用需求，并且CHS的定价与其纯度有关。 Kraft说：“ Coretec的环己硅烷非常适合那些对硅和/或掺杂硅（C，Ge，B，Co和P）的纯度、安全性、快速沉积速率和低温沉积有着高要求的应用。”

                               
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图1: 环己硅烷的转化。

环己硅烷（CHS）在电动汽车中的重大用途

电动汽车（EV）是替代普通汽油车辆的一种更环保的选择，但电动汽车还缺一项关键的功能：便捷性。电动汽车的基础设施和电池容量都无法与当今的汽车相提并论。加油站随处可见，但电动汽车的充电站却尚未普及，这意味着驾驶员须在出行前制定详细的充电计划。电动汽车需要搭载快速充电功能和支持长距离驾驶的电池，这些高效的基础设施将有助于电动汽车的成功。
许多制造商正在寻找新的解决方案（材料），用来克服锂离子（Li-ion）电池中石墨阳极的局限性。新型硅阳极电池技术可以为电池快速充电，有望在5至10分钟内充至其容量的80％以上，还不会损坏电池外形，同时还能将能量密度提升2至3倍。
即将面世的2.0代锂离子电池将采用新材料，用来增加能量密度并解决电池膨胀问题。Kraft指出，有很多企业正在与材料工程师合作，将纳米技术加入到制造过程中，例如加入诸如CHS之类的Si前体。
Kraft讲解到，CHS能提供比传统前体更快的器件制造速度，更重要的是，它还可以生成非晶纳米结构，这意味着电池可以实现快速充电，同时避免膨胀。这种材料还可以使电池能够承受许多次的充电和放电循环，这也是电动汽车的一个重要考量。
Kraft说：“ 通过用硅碳纳米结构和合金代替锂离子电池中常用的石墨阳极，Coretec环六硅烷也许能够提高能量密度。这些材料存储了更多的锂离子，在降低电池损耗的同时提高了能量密度。”
CHS是一种液态硅前体，应用在锂离子电池的阳极。它的液态特性为加工低成本碳硅纳米结构提供了优势，使其能够直接替代高能锂离子中的石墨。这种电池的一个主要优势是拥有更高的充电/放电寿命周期和更高的能量密度。
Kraft指出，特斯拉表示他们正朝着硅阳极方案迈进，这代表了电动汽车电池的一个重要里程碑。消费者需要一种能够更快充电，行驶得更远，使用寿命更长的电池，而当今的材料还不足以应对这一挑战。


SiC制造的新功能

电力电子学在宽禁带材料需求方面正以惊人的速度发展。满足设计参数的碳化硅（SiC）可以有效地增强电动汽车的动力，并有助于提升电动汽车的系统性能和长期可靠性。
SiC器件越来越多地用于对尺寸、重量和效率有着严格要求的高压功率转换器中，与常用的Si器件相比，SiC器件具有许多更有吸引力的特性。SiC器件的导通电阻和开关损耗要低得多，并且SiC的导热系数要比Si高3倍左右，因此可以更快地散热。这一点非常重要，因为当硅基器件的面积变小时，电转换过程中产生的热量变得更加难以散出，而SiC的散热效果更好。
SiC晶片与传统的Si晶片相比复杂得多，并且由于市场需求量大，在SiC大规模商业化并完全替代传统形式的Si之前，还有许多障碍问题需要克服。CHS这种硅前体可以在这一点上提供帮助。
高性能的SiC器件一直以来都受到以下限制：无法在低缺陷密度的半导体晶圆上生长SiC膜，以及如果采用将SiC层粘附到基底上会遇到的其他困难：常见的例子有α-SiC（例如，4H-SiC，6H- SiC）和β-SiC（3C-SiC）。
β-SiC作为电力电子器件的替代材料，它的广泛采用还存在一些挑战。其中特别需要注意的一项挑战是对于硅前体的需求，采用的硅前体无论从经济角度还是化学角度上，都要能够帮助SiC器件研发出先进的薄膜和结构。
在常规条件下，CHS可以在多种基底上形成β-SiC薄膜。另外，CHS可以帮助β-SiC膜简单地进行p型掺杂。这种前体可以简化从运输到存储以及硅沉积的过程，从而有助于电力电子技术的发展。Kraft指出，CHS有望以一种高性价比的方式克服SiC半导体生产中的传统限制。
电动汽车的自主性直接反映了其动力系统和能源管理系统的效率。除了必要的基础设施（例如随处可用的快速充电系统）之外，电动汽车还必须搭载优化了的SiC电力电子设备，以及具有更高能量密度和更短充电时间的Si基阳极电池。电动汽车进行了这些改进后，不仅会被大规模地采用，取代当今的汽油车辆，并且还将创造出世界所需的可持续电动汽车

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