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硅阳极有助提升电池容量20%,新型锂电池挑战今年量产

硅可说是大幅提升锂电池容量的阳极好帮手,理论上可增加70%的容量,只不过硅在充放电时体积变化过大,充电一次硅颗粒就会碎成粉末,因此如今电池阳极仍以石墨为主。但目前美国SilaNanotechnologies已提出一项解决方案,新型硅电极可提升20%电池容量,更有望...  

硅可说是大幅提升锂电池容量的阳极好帮手,理论上可增加 70% 的容量,只不过硅在充放电时体积变化过大,充电一次硅颗粒就会碎成粉末,因此如今电池阳极仍以石墨为主。但目前美国 Sila Nanotechnologies 已提出一项解决方案,新型硅电极可提升 20% 电池容量,更有望在今(2019)年投入商业化生产。

锂离子电池是消费型电子产品主要应用的电池,更日益成为电动车、再生能源储能应用首选,其运作原理是让锂离子在两极之间穿梭产生电流,锂离子首先会从阴极出发,经过中间的电解质抵达阳极,最后再折返,基本上可以将阳极当成锂离子储存槽,若想要提升电池容量,阳极负担责任重大责任。

目前锂离子电池阳极多由石墨等碳材料组成,这是因为金属化合物存有不稳定与电导性差等缺点,而硅虽然与锂离子结合后可话化身成“Li15Si4”、一个硅原子约可以附着 4 个锂离子,代表电池能以少量阳极材料储存更多的锂离子,但不幸的是,硅在充电时体积会膨胀 300%,放电时又会缩小恢复正常,充电一次硅材料就会不堪负荷碎成粉状,最多只用到 10% 的硅。

而这一状况有望在 2019 年改变,美国加州新创公司 Sila Nanotechnologies 已经开发出“插入式解决方案(drop-in solution)”,打造出石墨-硅奈米复合材料,运用多孔支架为硅挪出可膨胀与缩小的空间,解决膨胀问题之余,也能维持阳极外部尺寸和形状,最终有望将电池容量提高 20-40%。

公司共同创办人与乔治亚理工学院材料学教授 Gleb Yushin 表示,未来团队可将阳极厚度减少 67%,充电速度提高 9 倍。除此之外也能抑制电极形成树枝状锂晶枝,降低电池短路与爆炸的概率,进一步提升锂离子电池安全性。目前该电池充放电循环次数更已达到 400-1,000次,盼可在今年投入商业生产。

该公司也不是孤身一人进行研究,Sila Nanotechnologies 除了与车厂 BMW 携手之外,也有跟制造 Apple、Samsung 手机电池的 Amperex Technology 合作,BMW 发言人先前表示,公司将在 2023 年采用 Sila Nanotechnologies 的新型电池,盼可将电池容量提高 10-15%。

随着电动车与再生能源崛起,电池厂商与科学家皆希望能提升锂离子电池的效能,借此扩大锂电池的发展,像是挪威能源技术研究所(IFE)也看好硅极大的潜力,将硅奈米粒子与未命名材料相结合,使硅颗粒能承受较大的体积变化,并提升电池容量 3-5 倍。假如这些科学家成功将技术推向商业化,未来人们也就不用频繁帮手机充电、电动车的续航里程也可再度拉长。

  • To Boost Lithium-Ion Battery Capacity by up to 70%, Add Silicon
  • Sila Nanotechnologies raises $70 million for next-generation battery development

今天刊登了《硅阳极有助提升电池容量20%,新型锂电池挑战今年量产》一文


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