XNRGI多孔硅鋰金屬電池即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

XNRGI多孔硅鋰金屬電池即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

鋰離子電池無所不在：電子產(chǎn)品、汽車、機(jī)器人和電網(wǎng)存儲(chǔ)中皆有它們的身影。目前，全球鋰離子電池年產(chǎn)量約達(dá)160吉瓦時(shí)。3位主要開發(fā)者憑借這項(xiàng)革命性的技術(shù)獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。然而，鋰離子電池并非十分完美。對(duì)于長(zhǎng)期存儲(chǔ)的應(yīng)用而言，它仍然價(jià)格太高，而且易于起火。

許多類型的電池依靠越來越難以生產(chǎn)的材料，比如鈷和鎳。許多電池專家一致認(rèn)為，總有一天，會(huì)出現(xiàn)更好的電池。鋰電池的前身是鋰金屬電池。

20世紀(jì)70年代，?？松?a target="_blank">公司的化學(xué)家M. 斯坦利?惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）開發(fā)出了鋰金屬電池。金屬鋰適合用作電池材料，因?yàn)樗子卺尫?a target="_blank">電子和帶正電荷的鋰離子。

但事實(shí)證明，惠廷厄姆的設(shè)計(jì)難以商業(yè)化：鋰具有高反應(yīng)性，且用于陰極的二硫化鈦價(jià)格昂貴。于是，研究人員在鋰中加入石墨，使鋰形成加層降低反應(yīng)性，并選擇更便宜的材料用于陰極。鋰離子電池由此誕生。

同時(shí)，帶有金屬鋰陽極的電池似乎注定要成為鋰電池發(fā)展之路上一個(gè)有趣的旁注?？偛课挥谌A盛頓州博塞爾市的XNRGI公司力求將鋰金屬電池推向主流市場(chǎng)。

該公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)將金屬鋰沉積到覆有薄膜且蝕刻了數(shù)以百萬計(jì)微小單元的硅襯底上，成功抑制了金屬鋰的反應(yīng)性。相較傳統(tǒng)的鋰離子二維陽極，三維襯底大大增加了陽極的表面積。XNRGI首席執(zhí)行官克里斯?德庫托（Chris D‘Couto）稱，使用金屬鋰代替化合物后，XNRGI陽極的容量是傳統(tǒng)石墨嵌鋰陽極的10倍。

公司預(yù)計(jì)今年開始小批量商業(yè)化生產(chǎn)鋰金屬電池，供應(yīng)電動(dòng)車和消費(fèi)性電子產(chǎn)品客戶。XNRGI同時(shí)瞄準(zhǔn)了電網(wǎng)存儲(chǔ)。

去年，該公司與加拿大初創(chuàng)公司Cross Border Power簽署合資企業(yè)協(xié)議，向北美的公用事業(yè)客戶銷售其電池產(chǎn)品。當(dāng)然，新電池技術(shù)一直在不斷發(fā)布，包括本刊在內(nèi)的科技期刊樂于報(bào)道這些新技術(shù)的潛力。

但實(shí)驗(yàn)室中看起來前途無量甚至是革命性的電池，很少能真正投入市場(chǎng)。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的儲(chǔ)能專家文卡特?斯里尼瓦桑（Venkat Srinivasan）認(rèn)為，所有新電池的商業(yè)化前景都很復(fù)雜：“這取決于你要滿足什么樣的指標(biāo)?！?/p>

對(duì)于電動(dòng)汽車來說，理想電池的續(xù)航里程為幾百公里，充電時(shí)間以分鐘為單位，適于各種工作溫度，使用壽命可達(dá)10年，碰撞時(shí)保證安全，當(dāng)然還有低成本。斯里尼瓦桑稱：“指標(biāo)越多，新電池技術(shù)就越難全部滿足。這時(shí)候就需要妥協(xié)——也許有的電池可以使用10年，但續(xù)航里程有限，充電也不會(huì)那么快?！?/p>

不同的應(yīng)用會(huì)有不同的指標(biāo)，他補(bǔ)充道：“工業(yè)界只希望看到至少不遜于現(xiàn)有電池的產(chǎn)品。”

德庫托承認(rèn)，XNRGI的電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并非易事，但他認(rèn)為，目前存在幾個(gè)有利因素。公司并非發(fā)明了新的制造方法，而是借鑒了芯片制造商用于制造集成電路的一些成熟可靠技術(shù)，包括在硅上蝕刻20微米×20微米的空腔以及應(yīng)用薄膜。

因此，電池得名為“PowerChip”。

德庫托認(rèn)為，每一個(gè)微觀單元都可以被視為微電池。

與鋰離子電池被刺穿而發(fā)生災(zāi)難性故障不同，一個(gè)PowerChip電池單元故障不會(huì)影響周圍單元。這些單元似乎也阻止了線狀樹突的形成，避免造成電池故障。Enovix、Nexeon、Sila Nanotech-nologies和SiON Power等公司生產(chǎn)的鋰離子電池也用硅替代部分或全部陽極石墨，從而提高性能。在這些電池的陽極中，鋰嵌入硅中，形成Li15 Si4。

在XNRGI的PowerChip中，硅襯底具有導(dǎo)電涂層，可作為集流器和擴(kuò)散壁壘，防止硅與鋰相互作用。德庫托稱，鋰金屬陽極的容量大約是硅嵌鋰陽極的5倍。XNRGI在多數(shù)時(shí)間專注于開發(fā)燃料電池，即尼亞電力系統(tǒng)（Neah Power Systems）。

燃料電池使用新型多孔硅襯底。但是燃料電池市場(chǎng)尚未起步，因此在2016年，公司獲得能源部許可，運(yùn)用同一概念來制造鋰金屬電池。XNRGI增強(qiáng)陽極之后，繼續(xù)陰極設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

目前，公司正使用鈷酸鋰和鎳錳鈷制成的陰極，其電池容量是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。

公司還利用客戶提供的陰極來制作電池樣品。德庫托說，硫等替代材料可以進(jìn)一步提高陰極性能。

他表示：“沒有相應(yīng)的高性能陰極，高性能陽極無法最大限度地發(fā)揮全部的電池潛力?！?/p>

斯里尼瓦桑稱：“很多人像我一樣夢(mèng)想著有朝一日能徹底解決所有電池問題。希望那時(shí)每人都開電動(dòng)汽車，每家每戶都有電力儲(chǔ)存電池，航空實(shí)現(xiàn)電氣化，但現(xiàn)在，我的手機(jī)電池沒電了?！?/p>

電池與生活一樣，總有改進(jìn)空間。