納米技術(shù)使下一代電動(dòng)汽車充電成為可能

隨著新型電動(dòng)汽車 （EV） 的推出，汽車制造商正努力創(chuàng)造一個(gè)更可持續(xù)的未來。這些電動(dòng)汽車的出現(xiàn)將見證能源的重大轉(zhuǎn)變，需要看到更強(qiáng)大的快速充電網(wǎng)絡(luò)，而硅 （Si） 陽極電池可能是使這種情況成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。在接受電力電子新聞采訪時(shí)，Coretec 集團(tuán)首席執(zhí)行官 Michael Kraft，我們重點(diǎn)介紹了這些新解決方案的特性，并分析了哪些材料可以促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展。Coretec 集團(tuán)致力于為多個(gè)有前景的市場開發(fā)和商業(yè)化技術(shù)，例如儲(chǔ)能、太陽能、固態(tài)照明、可印刷電子產(chǎn)品和 3D 顯示器。

“我們的重點(diǎn)是能夠在全球挑戰(zhàn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)下一代技術(shù)的先進(jìn)材料——半導(dǎo)體、太陽能電池板、LED 和用于高功率和快速充電的下一代硅陽極電池，”Kraft 說?！拔覀円恢痹趯ふ抑С诌@些下一代技術(shù)的其他材料，［以及］ 公司與之合作或收購。目前，我們將大部分資源投入到環(huán)己硅烷 ［CHS］ 的商業(yè)化中?！?/p>

Kraft 指出，Coretec 集團(tuán)的產(chǎn)品組合基于硅產(chǎn)品的生產(chǎn)，從環(huán)己硅烷（Si 6 H 12 ） 開始，這是一種在受熱或紫外線輻射時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為純硅的液體，首先是非晶硅，然后是晶體硅隨著曝光量的增加。

CHS 是一種純材料，是先進(jìn)儲(chǔ)能應(yīng)用的關(guān)鍵元素。通過與贏創(chuàng)的合作，Coretec 集團(tuán)為客戶提供 CHS 樣品進(jìn)行評估；贏創(chuàng)可以輕松地大規(guī)模供應(yīng)生產(chǎn)。CHS 的純度可以變化以滿足特定的市場應(yīng)用需求，定價(jià)與純度水平相關(guān)。“Coretec 環(huán)己硅烷非常適用于硅和/或摻雜硅 ［C、Ge、B、Co 和 P］ 的純度、安全性、快速沉積速率和低溫沉積很重要的應(yīng)用，”Kraft 說。

環(huán)己硅烷的轉(zhuǎn)化

電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車是普通汽油動(dòng)力汽車的環(huán)保替代品，但它們?nèi)狈σ粋€(gè)關(guān)鍵特征：方便。電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)設(shè)施和電池容量無法與當(dāng)前的汽車相提并論。雖然似乎到處都有加油站，但電動(dòng)汽車充電站并不普遍，這意味著司機(jī)必須在出行前做好詳細(xì)的充電計(jì)劃。具有快速充電和遠(yuǎn)程電池的高效基礎(chǔ)設(shè)施將有助于電動(dòng)汽車的成功。

許多制造商正在尋找新的解決方案（材料）來克服鋰離子（Li-ion）電池中石墨負(fù)極的局限性。新的硅陽極電池技術(shù)有望在 5 到 10 分鐘內(nèi)將電池快速充電至其容量的 80% 以上，而不會(huì)物理損壞電池，同時(shí)還將能量密度提高 2 到 3 倍。

即將推出的 Gen 2.0 鋰離子電池將采用新材料來提高能量密度并解決膨脹問題。Kraft 指出，有多少公司正在與材料工程師合作，將納米技術(shù)添加到制造過程中，包括加入諸如 CHS 之類的 Si 前體。

Kraft 解釋了 CHS 如何提供比傳統(tǒng)前體更快的設(shè)備制造速度，更重要的是，它可以生成無定形納米結(jié)構(gòu)，這意味著電池可以快速充電而不會(huì)膨脹。這種材料還有助于承受多次充電和放電循環(huán)，這是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要考慮因素。

“Coretec 環(huán)己硅烷可以通過用硅碳納米結(jié)構(gòu)和合金代替鋰離子電池中常用的石墨陽極來提高能量密度，”Kraft 說。“這些材料儲(chǔ)存了更多的鋰離子，增加了能量密度，同時(shí)減少了最終的破壞。”

CHS 是一種用于鋰離子電池陽極應(yīng)用的液態(tài)硅前體。它的液態(tài)為加工低成本碳硅納米結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)勢，可以直接替代高能鋰離子中的石墨。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是高充電/放電生命周期和更高的能量密度。

卡夫指出，特斯拉表示他們正在向硅陽極解決方案邁進(jìn)，這是電動(dòng)汽車電池的一個(gè)重要里程碑。消費(fèi)者需要一種充電速度更快、行駛更遠(yuǎn)、使用壽命更長的電池，而今天的材料無法充分應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

碳化硅制造的新功能

由于寬帶隙材料的需求，電力電子設(shè)備正以驚人的速度發(fā)展。碳化硅 （SiC） 解決方案可以有效增強(qiáng)電動(dòng)汽車的電力電子設(shè)備，以滿足設(shè)計(jì)參數(shù)并對系統(tǒng)性能和長期可靠性做出重要貢獻(xiàn)。

SiC 器件越來越多地用于對尺寸、重量和效率有嚴(yán)格要求的高壓功率轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榕c常用的 Si 器件相比，它們具有許多吸引人的特性。導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗要低得多，而且 SiC 的熱導(dǎo)率比 Si 高約 3 倍，從而可以更快地從組件中散熱。這很重要，因?yàn)楫?dāng) Si 基器件的面積變小時(shí)，提取電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的熱量變得更加困難，而 SiC 能夠更好地散熱。

與傳統(tǒng)的硅片相比，碳化硅片非常復(fù)雜，隨著市場的需求，在大規(guī)模商業(yè)化和完全替代更傳統(tǒng)的硅片方面需要解決許多障礙；被稱為 CHS 的硅前體可以提供幫助。

高性能 SiC 器件一直受限于無法在缺陷密度低的半導(dǎo)體晶片上生長 SiC 薄膜，以及將 SiC 層粘附到襯底上的額外困難：α-SiC（例如 4H-SiC、6H- SiC） 和 β-SiC （3C-SiC） 是眾所周知的例子。

β-SiC 作為電力電子替代材料的廣泛采用帶來了幾個(gè)挑戰(zhàn)。其中之一是需要一種不僅經(jīng)濟(jì)而且在化學(xué)上可行的硅前驅(qū)體，以開發(fā)先進(jìn)的 SiC 器件薄膜和結(jié)構(gòu)。

CHS 可以在正常條件下在各種襯底上制造 β-SiC 薄膜。此外，CHS 可以輕松地將材料 p 摻雜到 β-SiC 薄膜中。這種前驅(qū)體可以通過簡化從運(yùn)輸?shù)酱鎯?chǔ)和硅沉積的過程來幫助電力電子設(shè)備的發(fā)展。Kraft 指出，CHS 提供了以經(jīng)濟(jì)高效的方式克服 SiC 半導(dǎo)體生產(chǎn)歷史局限性的潛力。

電動(dòng)汽車的自主性直接反映了其動(dòng)力總成和能源管理系統(tǒng)的效率。除了必要的基礎(chǔ)設(shè)施（例如隨處可用的強(qiáng)大快速充電系統(tǒng)）外，電動(dòng)汽車還必須具有改進(jìn)的 SiC 電力電子設(shè)備和具有更高能量密度和更短充電時(shí)間的 Si 基陽極電池。具有這些改進(jìn)的電動(dòng)汽車不僅將被大規(guī)模采用并取代今天的汽油車，而且它們將創(chuàng)造世界所需的可持續(xù)電動(dòng)汽車的未來。