美国Amprius公司将出货第一批商业化“世界最高密度”锂离子电池，用于新一代高空伪卫星（HAPS）之上

　　2月16日，由斯坦福大学华人教授崔屹创立的美国Amprius公司宣布，将会出货第一批商业化的450Wh/kg锂离子电池单元 ，可以确定这就是目前“世界最高密度”的商业化电池单元，将被用在新一代的高空伪卫星（HAPS）之上。

　　先说公司，Amprius是新型锂电池材料和锂电池的开发和制造商，拥有先进的储能材料和电化学技术，在硅负电极技术和正极技术领域处于全球领先地位。这次推出的全新电池，是世界上第一个实现了100%硅纳米线负极的锂离子电池，直接替代了常见的石墨负极材料，单电芯能量密度可以达到450Wh/kg。

　　硅负极是目前锂电池技术发展的主流方向，像我们国内也有不少电子产品、动力电池、整车生产商在研究硅负极技术，例如小米、广汽埃安、宁德时代、国轩高科等等。

　　之前广汽埃安和小米都发布了硅负极技术，但是似乎两个方案看起来不一样，一个说自己用的是海绵硅负极，一个说自己用的是纳米级硅氧化合物，如果对硅负极了解更多的化，你可能还听过硅纳米线、硅纳米管、碳化硅纳米线等等……

　　一、什么是硅负极？有什么作用。

　　首先负极在电池里面充当的角色，锂电池要实现充放电，实际上是电子的嵌入和脱出的过程，负极材料负责在充电过程中起储锂作用，其脱嵌锂电压和比容量对电池能量密度影响较大。优异的负极材料需同时具备低的脱嵌锂电压、高的比容量以及良好的倍率特征和循环性能。

　　目前市面上主流锂电池的负极都是采用石墨材料，因为石墨微观下具有层状结构，性能稳定，而且实际比容量密度可以与理论比容量相接近。但想要提升电池密度，石墨材料就有明显的局限性。问题是在石墨负极中，存储一个锂离子需要６个碳原子，而每个硅原子却可与４个锂离子结合，可以看出，相同体积的硅负极材料储存的电荷量是石墨负极的10倍，换言之，硅负极能让电池的能量密度直接提高一个数量级，这也是为什么Amprius可以直接量产出能量密度达到450wh/kg的电池的关键。

　　广汽研究院高级工程师梅骜说过：“通过对电池能量密度做测算和分析，对于高镍三元材料来说，只有跟更先进的硅碳负极结合起来的时候，才能取得高能量密度的优势”。虽然电池负极应用硅大有好处，但是也并不是想用就能直接用的。因为硅自身容易膨胀的特性，导致它在嵌锂时自身体积会发生400%上下的变化，每次充电时电解质与负极之间的界面层会破碎，从而不断消耗电池内部的锂离子，影响电池寿命。

　　为了利用好“硅”，各大研究机构、高校、企业都给出了各自不同的方案，也就是为什么我们看到了都是硅负极，却有这么多不同的说法。形式和方法可能不同但主要目的都是一样：减少硅膨胀。

　　二、硅是怎么应用到电池负极的呢？

　　1）硅纳米线：

　　Amprius这款能量密度达到450wh/kg的电池，所采用的硅负极就是硅纳米线。相信特斯拉粉丝对这个名字是不是比较熟悉？马斯克在2019年特斯拉电池日上提到过。这是一种能有效提高硅负极循环稳定性的纳米结构，它可以通过横向膨胀来很好地释放应力，避免纳米线龟裂或者破损，防止电极发生粉末化。硅纳米线不需要粘结剂就可以把硅粘附在电极上，而且纳米线是生长在负极集流体上的，还能够增强导电性。

　　一些学者的研究报告显示，硅纳米线的放电比容量高达3400mAh/g，而且前十次的充放电循环表现稳定。在大部分文献上我们能看到很多关于硅纳米线的优势，这项技术似乎大有前景，但是因为它的制备过程复杂，目前量产成本还是过高，消费市场难以接受。另外，尽管纳米线结构可以阻止硅碎片从电极上脱落，但是不能阻止它发生体积膨胀，所以SEI在循环过程中，依然会不断破碎再生成，从而消耗大量锂离子，最终形成很厚的一层SEI膜，阻碍锂离子传输。

　　Amprius最新量产的硅纳米线电池，采用了控制导线长短的办法降低了SEI膜破碎频率，一定程度上提升了电池寿命。但是未来如果特斯拉也采用了硅纳米线技术，不知道电池寿命会如何，毕竟汽车对电池的要求是长时间高频次的充放，讲到这里，我还是相当期待马老师新品发布的。

　　2）硅纳米颗粒：

　　小米在电池的负极添加了纳米级的硅氧化合物，这实际上与硅纳米线一样也属于纳米级硅的应用。因为硅颗粒尺寸的大小对电池性能下降的速度有巨大的影响，一般来说，与粒径较大的颗粒相比，粒径较小的颗粒的电化学性能更加稳定。我在文献中也看到相关的说明，纳米颗粒的尺寸越小结构越稳定，这是因为体积膨胀过程中的机械应力减小的原因。有研究表明，当结构尺寸小于临界值，也就是纳米硅颗粒直径小于150nm时，在体积膨胀范围内便不会出现破裂。

　　去年小米发布的小米11 ultra，就是因为这个技术，实现了在一台这么薄的手机里放下一个高达5000mAh的电池，而对手华为Mate40 Pro电池容量只有4400mAh。遗憾的是，小米并未具体公布所使用的纳米结构。

　　3）多孔硅结构：

　　去年底，广汽埃安发布了AION LX PLUS的长续航版本，这么大一台SUV，续航直接干到1008km，但电池组总质量才690kg，电池组总能量为144.4kWh，能量比重很出色。这个电池正是应用了硅负极，埃安还给它起了个更形象的名字——海绵硅负极。

　　埃安公布的资料显示，海绵硅负极片能像海绵一样柔软有弹性，使硅在充放电过程中的膨胀和收缩被限制和缓冲，不会碎裂；并让硅负极片可如同海绵吸水一般储存更多能量。从这个描述来分析，我认为埃安很有可能是采用了多孔硅结构。纳米多孔硅是一种拥有极高比表面积的硅纳米颗粒，可以有效缓冲嵌入、脱出锂离子的时候所产生的膨胀。同时多孔结构可以提供大面积硅与电解液接触界面，促进锂离子快速传输，提升导电性。

　　早在2018年，荷兰科技公司 RGS 最早推出了 E-magy 纳米多孔硅，这种多孔海绵状材料为硅提供了膨胀、但不破裂所需的空间。它在电池充电循环期间吸收锂离子，原理类似于海绵吸水，从而可以防止硅材料发生膨胀，同时使电池容量增加三倍或以上。

　　4）其它车企

　　蔚来也将在2022年交付的150kWh电池包，目前官方信息显示，其负极采用了“无机预锂化硅碳负极技术”，单体能量密度达350Wh/kg。

　　智己汽车也会采用宁德时代的硅负极电池，和小米类似，宁德时代也采用了“掺硅补锂”的方式，提升负极硅的含量，实现300Wh/kg的单体能量密度，据称这个电池会在未来几年陆续推向市场。

　　除了三元锂电池采用硅负极外，国轩高科称通过“高克容量硅负极材料和先进的预锂化技术”，也能将磷酸铁锂电池能量密度拔高到210Wh/kg。

　　说到这里很多人可能在想，比亚迪会不会也给刀片电池用上硅负极呢？不久前，比亚迪旗下电池公司“弗迪电池”的相关负责人透露：“比亚迪在使用硅基材料作为固态电池的负极时，能量密度预计能达到400Wh/kg”。也就是说，比亚迪也在研发硅负极电池，但是是用于固态电池，只不过固态电池离量产还有很长一段时间。

　　三、硅负极电池寿命需要关注

　　技术研发和量产是厂家考虑的问题，作为消费者，我关心的是硅负极电池的寿命问题，与电子产品不同，汽车用的动力电池需要电池持续使用十年以上，对长期稳定性和多次循环耐久性提出严苛要求。在整车行业，主机厂要求动力电芯循环在1000次以上，但目前多数企业MCN811+硅基负极只能达到400~500次循环，有部分电池生产厂商充放循环可以满足要求，却在SOC和质量表现上仍然差强人意。简单来说，就是首批装载硅负极锂电池的车，大家可得悠着点，看好厂家的电池质保政策。

　　后记：如何在有限的空间能储存更多的电能，对于新能源电动车来说是一个关键的发展问题，而硅负极作为理想的新材料来使用，刚刚迈出了第一步，我们需要做的，是给技术发展一点时间。当然，改善新能源汽车续航问题的方向，除了提升电池能量密度以外，快充和换电也同样重要，后续我也会和大家分享更多新技术，记得关注。来源：新车评