由于硅材料的工作電壓、容量利用率、電極容量匹配和電極密度等方面的原因，其改進可能略低于預(yù)期，但仍有潛力顯著提高電池的能量密度。

據(jù)介紹，硅是上個世紀最重要的材料之一，它推動了數(shù)字革命，以及個人電腦、筆記本電腦和智能手機的誕生。即使對于近期爆發(fā)的新冠病毒疫情（Covid-19）危機，硅的價值也是顯而易見的，它使許多公司、業(yè)務(wù)和個人通過智能設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)保持生產(chǎn)力。盡管Covid-19危機是目前全人類的當(dāng)務(wù)之急，但氣候變化帶來的長期影響可能更具破壞性。硅是數(shù)字革命的關(guān)鍵，現(xiàn)在，它又開始在鋰離子電池領(lǐng)域展現(xiàn)應(yīng)用潛力，而鋰離子電池是解決長期氣候變化危機的關(guān)鍵技術(shù)之一。

將電池技術(shù)與硅晶體管所推動的數(shù)字革命相提并論或許有些夸大，但它們無疑是現(xiàn)代社會降低碳排放的核心技術(shù)之一。根據(jù)歐洲環(huán)境署（European Environment Agency）的數(shù)據(jù)，該地區(qū)的公路交通和運輸占據(jù)了歐盟二氧化碳排放量的30%。在大多數(shù)情況下，純電動汽車（BEV）是目前最適合降低這些碳排放的方案（暫不討論氫能源、燃料電池以及生物燃料等）。

英國知名研究機構(gòu)IDTechEx在其出版的《電動汽車-2020版》研究報告中總覽了電動汽車市場，覆蓋了鋰離子電池可能不是最佳選擇的細分車輛市場。盡管純電動汽車是替代燃油引擎車輛（ICE）的理想方案，但它的前期成本仍然很高，且在續(xù)航里程和續(xù)航時間方面仍難以與燃油車競爭。

不斷增長的規(guī)模經(jīng)濟、制造創(chuàng)新和垂直整合，將有助于推動電池價格的進一步下降，但進一步改善電池性能需要新材料和技術(shù)創(chuàng)新。IDTechEx最新發(fā)布的《鋰離子電池技術(shù)及市場-2020版》報告，對該市場的所有主要趨勢進行了詳細的深入分析，包括硅在其中所扮演的角色。

目前，大多數(shù)純電動汽車使用的是石墨負極（可能含有少量硅材料作為添加劑），有機液體電解質(zhì)，以及采用鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）或鋰鎳鈷鋁氧化物（NCA）（特斯拉）的正極。目前采用這些材料的市場領(lǐng)先電池可以達到600~700 Wh/l的能量密度，可在大約40分鐘內(nèi)（適宜的溫度條件）充到容量的80%，并且可以循環(huán)充放電大約2000次。這些電池可以使純電動汽車的續(xù)航里程超過320公里，充滿電的時間約為1小時，電池壽命可達10年以上。對于早期用戶來說已經(jīng)足夠了，但對于大眾市場來說可能還不夠。更大的續(xù)航里程和更快的充電時間將在很大程度上解決這一問題。

硅在這兩個方面都可以發(fā)揮作用。首先，理論上每個硅原子可以與3.75個鋰離子結(jié)合，而相比之下，6個碳原子僅能與1個鋰離子結(jié)合。這使硅材料的理論容量達到了石墨的10倍。

典型電芯能量密度隨著負極中硅含量的增加而增加

由于硅材料的工作電壓、容量利用率、電極容量匹配和電極密度等方面的原因，其改進可能略低于預(yù)期，但仍有潛力顯著提高電池的能量密度。然而，通過添加硅材料來改進鋰離子電池并不簡單。這種材料受到一個主要問題的困擾：硅在鋰離子嵌入脫嵌過程中，體積會膨脹100%~300%。這會導(dǎo)致在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，對材料結(jié)構(gòu)造成破壞，共同降低了電極的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性。幸運的是，通過學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛研發(fā)努力，緩解這些問題的各種解決方案已經(jīng)接近商業(yè)化。

穩(wěn)定硅循環(huán)的解決方案之一包括使用高度多孔材料。這為硅的膨脹提供了空間，同時也能改善快速充電能力和低溫工作性能，這對純電動汽車來說是非常重要的指標(biāo)。然而，多孔材料也給電解液的穩(wěn)定性帶來了問題，不過，新的問題也意味著新的機遇。數(shù)十家公司正尋求將硅主導(dǎo)的負極材料商業(yè)化，它們各自采取了不同的路線來穩(wěn)定這種材料。硅的巨大前景以及鋰離子市場的巨大增長潛力，幫助硅負極初創(chuàng)企業(yè)已獲得超過7.5億美元的融資。

對硅負極初創(chuàng)公司的大量投資，側(cè)面證明了硅在鋰離子電池領(lǐng)域的吸引力

簡而言之，硅不僅可以提高鋰離子電池的能量密度，而且可以提高電池的快速充電速度，有助于實現(xiàn)更清潔、更安靜且更環(huán)保的交通出行。其主要的障礙是體積極具擴張/收縮而導(dǎo)致的問題，很多廠商已經(jīng)投入了大量資金來解決這些問題，因此這些廠商不得不需要盡快開始轉(zhuǎn)化為營收。為此，一些廠商正積極瞄準那些能夠比汽車行業(yè)更快利用其解決方案的應(yīng)用。

消費類設(shè)備和電動工具就是很好的目標(biāo)領(lǐng)域，對于這些應(yīng)用，IDTechEx相信硅負極材料很可能已經(jīng)準備好進入市場。此外，這些廠商還必須證明這種新型硅材料和負極制造的經(jīng)濟性和可擴展性。對于純電動汽車，可以理解的是，認證時間和開發(fā)周期會更長。IDTechEx預(yù)測，直到2020年代末，采用硅負極的鋰離子電池才會在市場上占據(jù)顯著份額。

IDTechEx在最新的《鋰離子電池技術(shù)及市場-2020版》報告中對硅負極、相關(guān)廠商以及潛在市場進行了更深入的分析，并對鋰離子電池市場及其廣泛技術(shù)進行了全面概述。此外，IDTechEx還針對儲能市場提供了分析和見解。
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