電子器件的主要材料現(xiàn)在可充電儲(chǔ)能。
自從1991年鋰離子電池首次商業(yè)化以來(lái),相關(guān)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,例如1991年至2018年間,其價(jià)格驚人地下降了97%,其中最大的技術(shù)進(jìn)展發(fā)生在鋰金屬氧化物陰極方面。相比之下,鋰離子電池的石墨陽(yáng)極則基本保持了原樣。
實(shí)際上,硅被認(rèn)為是一種容量更大的陽(yáng)極材料,因?yàn)橥瑯又亓康墓杩梢匀菁{的鋰離子數(shù)是石墨的10倍。但長(zhǎng)期以來(lái),硅一直比石墨更易碎,無(wú)法承受鋰離子加載帶來(lái)的巨大膨脹和收縮。
過(guò)去15年里,相關(guān)技術(shù)雖然有了逐步的改善,但希望卻破滅了。如今,隨著最近該領(lǐng)域一系列的創(chuàng)新,硅有可能很快會(huì)成為電池的主要材料。
一些汽車(chē)制造商和硅陽(yáng)極初創(chuàng)公司已經(jīng)展開(kāi)合作,生產(chǎn)續(xù)航能力更強(qiáng)、成本更低的電動(dòng)汽車(chē),并可能在本世紀(jì)50年代中期上路。通用汽車(chē)公司和加州帕洛阿爾托的OneD電池科學(xué)公司正在將OneD的硅納米技術(shù)用于通用汽車(chē)的Ultium電池。從2021年以來(lái),Sila納米技術(shù)公司(位于美國(guó)加州阿拉米達(dá))的硅陽(yáng)極一直用在Whoop健身追蹤器中,2026年它將用于梅賽德斯G級(jí)SUV中。2024年,Group14 Technologies公司(位于華盛頓州伍丁維爾)的硅電池將安裝在保時(shí)捷電動(dòng)汽車(chē)中。
2022年末,Group14、Sila和加州弗里蒙特的Amprius Technologies籌集了近5億美元,實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極材料商業(yè)化,其中2.5億美元來(lái)自美國(guó)能源部,Group14還另外獲得了2.14億美元的私人投資。這3家公司都計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)建設(shè)并運(yùn)營(yíng)千兆瓦規(guī)模的工廠。2023年4月,Group14開(kāi)始在華盛頓州摩西湖建造一座20千兆瓦的工廠。
“硅改變了我們的信息存儲(chǔ)方式,現(xiàn)在,它正在改變我們的能源存儲(chǔ)方式?!盙roup14的首席技術(shù)官里科?克斯坦迪諾(Rick Costantino)說(shuō)。
硅能吸收更多鋰離子,讓它們更快地穿過(guò)電池膜,有望實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程更長(zhǎng)、充電速度更快、價(jià)格更實(shí)惠的電動(dòng)汽車(chē)。硅是地殼中最豐富的金屬,價(jià)格應(yīng)該能更便宜,受供應(yīng)鏈問(wèn)題的影響更小。目前幾乎所有的石墨陽(yáng)極材料都是在中國(guó)加工的。
大多數(shù)硅陽(yáng)極初創(chuàng)公司都將納米工程硅作為一種變通方法,解決該元素面臨的關(guān)鍵問(wèn)題——膨脹以及與電解質(zhì)發(fā)生不良的副反應(yīng)。2008年,斯坦福大學(xué)材料科學(xué)教授崔屹及其實(shí)驗(yàn)室在《自然?納米技術(shù)》雜志上發(fā)表一篇論文,研究能夠承受膨脹的硅納米線,開(kāi)創(chuàng)了這一研究領(lǐng)域。他還與他人共同創(chuàng)辦了Amprius公司。2023年3月,該公司報(bào)告了一種硅陽(yáng)極電池,其認(rèn)證能量密度創(chuàng)歷史新高,達(dá)到了500瓦時(shí)/千克,約為如今電動(dòng)汽車(chē)電池的2倍。Amprius公司希望最終能夠?qū)㈦姵爻杀窘档偷娇捎糜?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/12732/" target="_blank">無(wú)人機(jī)和空中出租車(chē)等商業(yè)飛行的水平。
相比之下,OneD公司則致力在未來(lái)幾年內(nèi)將價(jià)格實(shí)惠的電動(dòng)汽車(chē)推向市場(chǎng)。OneD公司將硅納米線注入石墨顆粒的內(nèi)部孔隙和表面。該公司表示,增加硅處理的成本不到2美元/千瓦時(shí),可生產(chǎn)能量密度為350瓦時(shí)/千克的電池,這種電池能夠在10分鐘內(nèi)充電80%。
Group14和Sila公司都在設(shè)計(jì)外觀和作用與目前用于制造陽(yáng)極的黑色石墨粉末相似的硅材料?!澳悴恍枰淖冸姵氐闹圃旆绞健梢栽谕还S制造硅陽(yáng)極。”Sila公司的首席技術(shù)官格雷布?有信(Gleb Yushin)說(shuō)。
有信說(shuō),Sila公司的納米結(jié)構(gòu)多孔材料中的空間允許硅在不損壞的情況下膨脹,支架布局允許鋰離子通過(guò),同時(shí)防止其與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)?!霸诓牧蠈用?,它最終應(yīng)該會(huì)比石墨便宜?!庇行耪f(shuō)。
Group14通過(guò)單個(gè)步驟和一次反應(yīng)生成微米級(jí)的多孔碳顆粒,然后使用化學(xué)氣相沉積將硅帶入孔隙??怂固沟现Z說(shuō),預(yù)計(jì)在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi),該公司與SK Materials合作在韓國(guó)建造的10千兆瓦工廠將上線,2024年另一家20千兆瓦的工廠將上線。
加州爾灣的Enevate公司沒(méi)有制造硅納米材料和納米線,而是直接在銅箔上沉積幾十微米厚的多孔硅膜。其硅陽(yáng)極電池應(yīng)用在了Lightning Motorcycles公司(位于加州霍利斯特)的新型電動(dòng)摩托車(chē)中,僅需充電10分鐘,即可實(shí)現(xiàn)續(xù)航約220公里。
與此同時(shí),芝加哥初創(chuàng)公司NanoGraf表示,其預(yù)膨脹氧化硅陽(yáng)極能夠?qū)㈦姵氐哪芰棵芏忍岣?0%,早期應(yīng)用于便攜式軍事設(shè)備。
這些公司都在競(jìng)相提高產(chǎn)量和降低成本,他們還面臨來(lái)自其他實(shí)驗(yàn)電池化學(xué)品開(kāi)發(fā)商的競(jìng)爭(zhēng),包括鋰金屬、鋰空氣和鋰硫等的開(kāi)發(fā)商。但是要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),需要重新開(kāi)始設(shè)計(jì)電池。因此,即使硅最后會(huì)被取代,未來(lái)硅的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)無(wú)論持續(xù)多久,一直以來(lái)都是人們的長(zhǎng)期期望。
“至少在未來(lái)5年內(nèi),鋰不會(huì)上市?!彼固垢4髮W(xué)的崔屹說(shuō),但現(xiàn)在可以訂購(gòu)硅陽(yáng)極材料?!肮枵诹餍?,這是硅的時(shí)代?!?/p>
審核編輯:劉清
-
電動(dòng)汽車(chē)
+關(guān)注
關(guān)注
155文章
11812瀏覽量
229129 -
納米技術(shù)
+關(guān)注
關(guān)注
2文章
200瀏覽量
25781 -
硅電池
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
9瀏覽量
2080
原文標(biāo)題:用硅制造電池的時(shí)代來(lái)了
文章出處:【微信號(hào):CloudBrain-TT,微信公眾號(hào):云腦智庫(kù)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論