電子器件的主要材料現(xiàn)在可充電儲能。

自從1991年鋰離子電池首次商業(yè)化以來，相關技術取得了長足進步，例如1991年至2018年間，其價格驚人地下降了97%，其中最大的技術進展發(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極則基本保持了原樣。

實際上，硅被認為是一種容量更大的陽極材料，因為同樣重量的硅可以容納的鋰離子數(shù)是石墨的10倍。但長期以來，硅一直比石墨更易碎，無法承受鋰離子加載帶來的巨大膨脹和收縮。

過去15年里，相關技術雖然有了逐步的改善，但希望卻破滅了。如今，隨著最近該領域一系列的創(chuàng)新，硅有可能很快會成為電池的主要材料。

一些汽車制造商和硅陽極初創(chuàng)公司已經展開合作，生產續(xù)航能力更強、成本更低的電動汽車，并可能在本世紀50年代中期上路。通用汽車公司和加州帕洛阿爾托的OneD電池科學公司正在將OneD的硅納米技術用于通用汽車的Ultium電池。從2021年以來，Sila納米技術公司（位于美國加州阿拉米達）的硅陽極一直用在Whoop健身追蹤器中，2026年它將用于梅賽德斯G級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捷電動汽車中。

2022年末，Group14、Sila和加州弗里蒙特的Amprius Technologies籌集了近5億美元，實現(xiàn)陽極材料商業(yè)化，其中2.5億美元來自美國能源部，Group14還另外獲得了2.14億美元的私人投資。這3家公司都計劃在未來幾年內建設并運營千兆瓦規(guī)模的工廠。2023年4月，Group14開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方式，現(xiàn)在，它正在改變我們的能源存儲方式?！盙roup14的首席技術官里科?克斯坦迪諾（Rick Costantino）說。

硅能吸收更多鋰離子，讓它們更快地穿過電池膜，有望實現(xiàn)續(xù)航里程更長、充電速度更快、價格更實惠的電動汽車。硅是地殼中最豐富的金屬，價格應該能更便宜，受供應鏈問題的影響更小。目前幾乎所有的石墨陽極材料都是在中國加工的。

大多數(shù)硅陽極初創(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鍵問題——膨脹以及與電解質發(fā)生不良的副反應。2008年，斯坦福大學材料科學教授崔屹及其實驗室在《自然?納米技術》雜志上發(fā)表一篇論文，研究能夠承受膨脹的硅納米線，開創(chuàng)了這一研究領域。他還與他人共同創(chuàng)辦了Amprius公司。2023年3月，該公司報告了一種硅陽極電池，其認證能量密度創(chuàng)歷史新高，達到了500瓦時/千克，約為如今電動汽車電池的2倍。Amprius公司希望最終能夠將電池成本降低到可用于無人機和空中出租車等商業(yè)飛行的水平。

相比之下，OneD公司則致力在未來幾年內將價格實惠的電動汽車推向市場。OneD公司將硅納米線注入石墨顆粒的內部孔隙和表面。該公司表示，增加硅處理的成本不到2美元/千瓦時，可生產能量密度為350瓦時/千克的電池，這種電池能夠在10分鐘內充電80%。

Group14和Sila公司都在設計外觀和作用與目前用于制造陽極的黑色石墨粉末相似的硅材料。“你不需要改變電池的制造方式……可以在同一工廠制造硅陽極?！盨ila公司的首席技術官格雷布?有信（Gleb Yushin）說。

有信說，Sila公司的納米結構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，同時防止其與電解質發(fā)生反應。“在材料層面，它最終應該會比石墨便宜?！庇行耪f。

Group14通過單個步驟和一次反應生成微米級的多孔碳顆粒，然后使用化學氣相沉積將硅帶入孔隙。克斯坦迪諾說，預計在未來幾個月內，該公司與SK Materials合作在韓國建造的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。其硅陽極電池應用在了Lightning Motorcycles公司（位于加州霍利斯特）的新型電動摩托車中，僅需充電10分鐘，即可實現(xiàn)續(xù)航約220公里。

與此同時，芝加哥初創(chuàng)公司NanoGraf表示，其預膨脹氧化硅陽極能夠將電池的能量密度提高10%，早期應用于便攜式軍事設備。

這些公司都在競相提高產量和降低成本，他們還面臨來自其他實驗電池化學品開發(fā)商的競爭，包括鋰金屬、鋰空氣和鋰硫等的開發(fā)商。但是要實現(xiàn)這些目標，需要重新開始設計電池。因此，即使硅最后會被取代，未來硅的主導優(yōu)勢無論持續(xù)多久，一直以來都是人們的長期期望。

“至少在未來5年內，鋰不會上市。”斯坦福大學的崔屹說，但現(xiàn)在可以訂購硅陽極材料?！肮枵诹餍校@是硅的時代?！?/p>

審核編輯：劉清