充电90%保护电池(硅氧负极超级快充电池)-东辰安华生活网

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　　硅阳极锂电池，迎来了新的发展；

　　美国电池厂商Enovix在0.27Ah硅负极动力电池单元上仅用5.2分钟就成功实现0-80%充电；6C快充，10分钟内充满0-98%的电量。

　　比美国先进电池联盟(USABC)目前的快充目标低了近2/3。

　　而且这个数据是在保证续航的前提下实现的。官方循环寿命数据：

　　 1000次循环后，电池容量仍能保持在93%。但主流三元锂电池经过1000次循环后，容量只有80%左右。

　　从理论上证明了硅负极锂电池、快速充电和电池循环的可行性。

　　这背后的技术是Enovix的看家专利：3D硅电池结构。

　　如何做到既有使用寿命又有速度？

　　 Enovix在官方新闻稿中给出了两个关键信息：

　　硅阳极材料，以及Enovix独家专利：3D硅电池结构。

　　先说硅阳极材料。

　　众所周知，与目前主流的石墨负极材料相比，硅基负极材料有两大优势：

　　首先，单位容量高。资料显示，以硅为负极材料的锂电池理论容量可达4200mAh/g，与目前主流锂电池单位容量365mAh/g相比，相差10倍以上。

　　 “电池容量=单位能量密度x体积/质量”公式的简单推导，意味着硅基电池的能量密度可以达到石墨负极材料的10倍以上。

　　其次，这也是一个经济和环境优势。硅材料在地球的矿藏中极其丰富，而且对环境更加友好。

　　最后，石墨负极锂电池在充放电过程中，由于电镀锂过程会形成枝晶，可能会穿透隔膜造成短路等安全问题。这也是影响锂电池充电速度的重要因素，而硅可以抑制枝晶的生长，从而在充电速度上形成优势。

　　基于以上优点，硅阳极电池也被认为是未来锂电池的发展方向。

　　 “未来”，代表趋势，也意味着还有未解决的问题。具体而言，就硅负极电池而言，为了在电动汽车领域成功商业化，必须消除一个最重要的障碍：

　　首先是充电膨胀问题，资料显示硅锂嵌入形成硅锂合金化合物过程中体积膨胀可达300%-400%，远高于石墨阳极电池。

　　这个特性有两个隐患：

　　硅负极电池在充电过程中，硅材料和导电剂会发生分离，导电性降低。这样一来，电池的容量会迅速衰减，循环寿命也会降低。

　　巨大的膨胀变化会使电极膜变大、开裂，最终使活性物质从集流体上脱落，导致电池内阻增大、发热，带来严重的电池安全问题。

　　所以综合来看，硅负极材料优势明显，电池容量和能量密度有很大优势，但劣势也很明显：寿命短。

　　这两个问题，从目前纯电动汽车动力电池的需求来看，几乎就是原罪。

　　那么，Enovix是怎么解决的呢？

　　第二个重点来了：3D硅电池结构。

　　先说传统的卷绕式电池结构，就是把电池的正负极和隔膜叠起来，然后像卷纸一样卷起来，差不多是这样的：

　　传统结构的缺点是为了避免电池短路，一般将隔膜做得比正负极宽，浪费了储能空间。

　　 3D硅电池的结构是这样的：

　　根据官方信息，这种结构设计指的是芯片的制造工艺。

　　具体来说，使用1 mm厚的硅晶片作为电池，通过光刻在硅晶片上制作凹槽。然后，通过电镀将电池的导电层镀在凹槽中，然后用阴极材料和隔板填充凹槽。

　　根据官方数据，这种结构可以将储能材料的空间利用率提高到75%，并减少单位电池体积

　　一方面，在微观层面，3D硅电池在硅片上刻蚀凹槽时，会为硅负极提前嵌入缝隙，用于解决嵌锂时硅的膨胀可以在内部消化的问题，不至于挤压电池空间，形成短路。

　　另一方面，3D硅电池还使用了一种称为BrakeFlow的技术，在短路的情况下抑制电池的热失控。

　　具体而言，当堆叠多个面板时，在连接每个单元的总线上设置固定电阻。这样，在内部短路的情况下，可以通过BrakeFlow调节通过短路的电流，从而限制短路区域的过热和热失控。

　　不过这种BrakeFlow的机制以及背后的原理并没有被Enovix官方披露。

　　最后，基于硅阳极材料和独特的电池结构设计，硅阳极电池表现如何？

　　 Enovix发布了实验结果：

　　以0.27Ah电池单元为基准，在4.22.5v电压、6C充电速率(6倍电池容量)条件下，0-80%充电时间为5.2分钟，98%容量以上充电时间保持在10分钟以内。

　　同时充电超过1000次循环后仍能保持93%的电池容量，性能远高于目前主流三元锂电池1000次循环后80%左右容量的数据。

　　当然，这只是在一个0.27Ah的小电池单元上实现的实验数据，能否成功商用还是未知数。

　　但从官方业务可以看出，同样结构的硅阳极锂电池已经在3C消费领域进行了商业化应用，据报道其产品能量密度可以达到900 Wh/L

　　根据Enovix此前的规划，将在2023-2024年进军电动汽车动力电池领域。

　　伊诺维克是谁？

　　说完技术，后面的Enovix需要关注和入手。

　　官方资料显示，Enovix是一家美国电池制造商，成立于2007年，总部位于美国加州。创始团队有3个人。有趣的是，在Enovix成立之前，这3个人都没有电池相关的背景，而是供职于同一家公司：

　　半导体产品制造商FormFactor。

　　现在，我可以理解为什么Enovix用制造芯片的想法来制造电池了。

　　其中，获得斯坦福大学机械工程硕士学位的联合创始人兼首席执行官哈罗德拉斯特(Harrold Rust)是Enovix的商业掌舵人。在加入FormFactor之前，他在IBM工作，负责领导IBM在亚洲、中美洲和欧洲的全球磁盘驱动器磁头业务的财务规划。

　　联合创始人兼Ashok Lahiri是Enovix的技术核心，他参与了大多数与Enovix 3D电池结构相关的专利。

　　更重要的是，需要注意的是，拉希里在FormFactor任职期间，他的主要任务是优化芯片的硅衬底结构，这为后来3D电池结构的发展奠定了基础。

　　 Murali Ramasubramanian，联合创始人兼副总裁，负责FormFactor新材料和结构的研发，曾领导FormFactor半导体晶圆测试的3D MEMS接触技术研发。

　　在商业模式方面，Enovix在电池领域的第一条赛道是小型电子设备，包括可穿戴设备和3C消费电子产品。

　　根据官方招股书，之所以将可穿戴设备作为突破点，是基于成本的考虑。可穿戴设备行业对电池成本没那么敏感，但对能量密度要求更高，这也符合硅阳极电池的优势。

　　截至目前，Enovix成品电池能量密度达到900Wh/L，通过了500次深度循环测试。

　　对于后续的规划，由于消费电子的市场规模远小于电动车市场，Enovix计划在2023-2024年通过3D电池结构技术进入动力电池领域。目前已与三菱汽车达成相关业务合作。

　　融资方面，截至2020年初，Enovix已进行六轮融资，总额近2亿美元：

　　 2007年3月，A轮融资230万美元，投资方为DCM Ventures；2008年9月，B轮融资1200万美元，三一创投；是投资者；2012年3月，C轮融资1500万美元，投资方为DCM Ventures和Sofinnova Investments；2016年4月，D轮融资1亿美元，由英特尔领投，高通、赛普拉斯半导体跟投；2018年8月，获得1700万美元风险投资，投资方未知；2020年3月获得E轮融资4500万美元，由赛普拉斯半导体创始人T J .罗杰斯个人投资。

　　从投资人的角度来看，Enovix有Intel这样的巨头，也有Cypress这样的半导体公司，只是没有OEM的投资。

　　 2021年2月，Enovix通过特殊目的收购公司并购借壳上市，融资金额4.05亿美元，估值11亿美元。截至上周五，Enovix股价报11.12美元/股，市值达到17.44亿美元。

　　我国硅负极电池进展如何？

　　回顾中国，硅负极电池的研发现状如何？

　　目前，硅负极电池已经成为电池厂商和主机厂关注的焦点，但从技术路线上来说，国内的突破主要在材料上，而不是电池结构上。

　　广汽的海绵硅负极电池技术就是代表，从电极材料、粘合剂、修复技术入手。具体来说：

　　首先通过纳米复合硅技术，将硅材料控制在纳米尺度，表面覆盖保护层控制微观状态，同时避免硅元素与电解液直接接触，从而控制充放电过程中的体积膨胀。

　　其次，在极片连接中采用了具有自修复功能的粘接技术，使受损的硅负极在膨胀和收缩过程中能够自修复，保证了电极的结构稳定性。

　　最后，梯度复合涂层技术，通过硅负极极片活性组分和非活性缓冲组分的梯度分布设计，大大提高了活性层与集流体的结合力，提高了负极极片体的结构稳定性。

　　此外，在商业化方面，贝特瑞和郭萱高科等电池产业链上的公司走在了前面。

　　其中，贝特瑞已于2013年实现硅负极材料商业化，是国内最早量产硅负极材料的企业之一。不久前，贝特瑞在深圳投资建设了年产4万吨硅负极材料生产线。

　　轩高科于2016年投资5000吨硅基材料项目，并于去年初发布210Wh/kg软包磷酸铁锂电池电芯，首次宣布硅负极材料在磷酸亚铁锂化学体系的成功应用。