不到10分鐘充電98%，這家公司的3D結(jié)構(gòu)硅基電池到底是啥技術(shù)？

萬博 發(fā)自 副駕寺

智能車參考 | 公眾號 AI4Auto

硅負(fù)極鋰電池，迎來一則最新進(jìn)展：

美國電池制造商Enovix，在一塊0.27Ah的硅負(fù)極動力電池單元上，成功實現(xiàn)0-80%充電只用5.2分鐘；0-98%充電在10分鐘以下的6C快充。

比美國先進(jìn)電池聯(lián)盟（USABC）目前快充目標(biāo)減少近2/3。

而且，這個數(shù)據(jù)還是在保證電池壽命的前提下實現(xiàn)的，官方循環(huán)壽命數(shù)據(jù)：

1000次循環(huán)后電池容量還能保持在93%，而目前主流的三元鋰電池1000次循環(huán)后，容量只能剩下80%左右。

在理論上證明了硅負(fù)極鋰電池，快充和電池循環(huán)兼得的可行性。

而這背后的技術(shù)，正是Enovix的看家專利：3D Silicon電池結(jié)構(gòu)。

兼顧使用壽命和速度，如何做到？

Enovix在官方的新聞稿中給出2大關(guān)鍵信息：

硅負(fù)極材料，以及Enovix的獨家專利：3D Silicon電池結(jié)構(gòu)。

先說硅負(fù)極材料。

眾所周知的是，相比目前主流的石墨負(fù)極材料，硅基負(fù)極材料有2大優(yōu)勢：

首先，單位容量高，數(shù)據(jù)顯示，采用硅作為負(fù)極材料的鋰電池，理論容量可以達(dá)到4200mAh/g，相比之下，目前主流的鋰電池單位容量則為365mAh/g，兩者差距在10倍以上。

用“電池容量=單位能量密度×體積/質(zhì)量”的公式簡單推導(dǎo)，意味著硅基電池的能量密度也可以達(dá)到石墨負(fù)極材料的10倍以上。

其次，也是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的優(yōu)勢，硅材料在地球的礦物儲量中極為豐富，而且本身對環(huán)境更為友好。

最后，石墨負(fù)極鋰電池在充放電過程中，會因為鋰電鍍過程而形成枝晶，從而可能穿透隔膜引起短路等安全問題，這也是影響鋰電池充電速度的重要因素，而硅元素則可以抑制枝晶的生長，從而在充電速度上形成優(yōu)勢。

基于以上優(yōu)勢，硅負(fù)極電池也被看作未來鋰電池的發(fā)展方向。

“未來”，代表趨勢，也代表還有未解決的問題，具體到硅負(fù)極電池而言，想要成功在電動車領(lǐng)域商業(yè)化，還要掃除1個最重要的障礙：

首先，充電膨脹問題，數(shù)據(jù)顯示，硅嵌鋰形成硅鋰合金化合物的過程中，體積膨脹可以達(dá)到300%-400%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極材料電池。

這種特性有2個隱患：

硅負(fù)極電池在充電過程中會導(dǎo)致硅材料和導(dǎo)電劑脫離，導(dǎo)電性降低，結(jié)果是電池容量快速衰減，降低循環(huán)壽命；

巨大的膨脹變化會使電極膜變大開裂，最終使活性材料從集流體上脫落，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，發(fā)熱量加大，帶來嚴(yán)重的電池安全問題。

所以綜合來看，硅負(fù)極材料優(yōu)勢很明顯，電池容量和能量密度有巨大優(yōu)勢，但劣勢同樣明顯：壽命短。

這兩個問題，從當(dāng)下純電動車動力電池的需求角度看，幾乎就是原罪。

所以，Enovix如何解決？

這里就要講到第二個關(guān)鍵點：3D Silicon電池結(jié)構(gòu)。

先說傳統(tǒng)的纏繞式電池結(jié)構(gòu)，是將電池正負(fù)極以及隔膜疊加起來，然后像卷紙一樣卷起來，差不多就是下面的樣子：

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺點在于，為了避免電池內(nèi)部出現(xiàn)短路，一般會將隔膜做的比正負(fù)極更寬，浪費了儲能的空間。

而3D Silicon電池結(jié)構(gòu)，是這樣的：

根據(jù)官方信息，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計參考了芯片的制造工藝。

具體來看，就是用一塊1毫米厚的硅片來做電池，用光刻的方式在硅片上制造凹槽，然后在凹槽中用電鍍的方式鍍上電池的導(dǎo)電層，然后在凹槽中再填充正極材料和隔膜。

官方數(shù)據(jù)顯示，這種結(jié)構(gòu)，能將儲能物質(zhì)的空間利用率提升至75%，可以在單位容量上減小電池體積。

除了容積的提升，這種電池結(jié)構(gòu)更大的優(yōu)勢在于，在保證高能量密度和快充速率的基礎(chǔ)上，提升了硅負(fù)極電池的循環(huán)次數(shù)和使用安全。

而這方面，Enovix并未透露，但我們在查閱Enovix相關(guān)的論文和專利時，發(fā)現(xiàn)了2個關(guān)鍵點：

一方面，是微觀層面，3D Silicon電池在硅板上蝕刻凹槽的時候，會提前為硅負(fù)極預(yù)埋空隙，用于解決硅嵌鋰過程中膨脹可以內(nèi)部消化，而不至于擠壓電池空間，形成短路。

另一方面，3D Silicon電池還用到了一種叫做BrakeFlow的技術(shù)，來抑制電池在發(fā)生短路的情況下熱失控。

具體來說，就是在多個電池板疊加的情況下，在連接每個單元的母線設(shè)定一個固定的電阻，這樣在內(nèi)部短路的情況下，就可以通過BrakeFlow調(diào)節(jié)通過短路處的電流，限制讓短路區(qū)域過熱出現(xiàn)熱失控的情況。

但這個BrakeFlow的發(fā)生機(jī)制和背后原理，Enovix官方并未透露。

最后一個問題，基于硅負(fù)極材料和獨特的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，硅負(fù)極電池具體表現(xiàn)怎么樣？

Enovix放出了實驗結(jié)果：

基于一塊0.27Ah的電池單元，在4.2–2.5V電壓，6C充電倍率（電池容量的6倍）的情況下，實現(xiàn)了0-80%充電時間5.2分鐘，98%電量以上的充電時間保持在10分鐘以內(nèi)。

同時，能夠在1000次以上循環(huán)充電后，依然保持93%的電池容量，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前主流三元鋰電池1000次循環(huán)后容量80%左右的數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，這只是在0.27Ah小電池單元上實現(xiàn)的實驗數(shù)據(jù)，最終能否成功商業(yè)化，還是個未知數(shù)。

不過從官方的業(yè)務(wù)中可以看出，采用同樣結(jié)構(gòu)的硅負(fù)極鋰電池，已經(jīng)在3C消費領(lǐng)域得到商業(yè)應(yīng)用，據(jù)悉其產(chǎn)品能量密度可以達(dá)到900Wh/L。

而根據(jù)Enovix此前的規(guī)劃，進(jìn)軍電動車動力電池領(lǐng)域，定在了2023-2024年。

Enovix是誰？

說完技術(shù)，背后的Enovix需要關(guān)注和起底。

官方信息顯示，Enovix是一家美國電池制造商，成立于2007年，總部位于加州。核心創(chuàng)始團(tuán)隊有3人，有意思的是，這3人在創(chuàng)立Enovix之前，沒有一個人的背景與電池有關(guān)，反倒是供職于同一家公司：

FormFactor，一家半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造商。

現(xiàn)在也能夠理解，Enovix為什么會用造芯片的思路造電池了吧。

其中，聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO哈羅德-拉斯特（Harrold Rust），曾在斯坦福大學(xué)獲得機(jī)械工程碩士學(xué)位，是Enovix的商業(yè)掌舵人，在FormFactor之前，曾在IBM供職，領(lǐng)導(dǎo)IBM在亞洲、中美洲和歐洲的全球磁盤驅(qū)動頭業(yè)務(wù)的財務(wù)計劃責(zé)任。

聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO阿肖克-拉希里（Ashok Lahiri），是Enovix的技術(shù)核心，Enovix 3D電池結(jié)構(gòu)相關(guān)的大多數(shù)專利，都有他的參與。

而且需要注意的是，拉希里在FormFactor供職期間，主要的任務(wù)，就是優(yōu)化芯片硅基板的結(jié)構(gòu)，這也為其后來開發(fā)3D電池結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。

聯(lián)合創(chuàng)始人兼副總裁穆拉里-拉馬蘇布拉姆尼安（Murali Ramasubramanian），曾經(jīng)在FormFactor負(fù)責(zé)新材料和結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)，曾經(jīng)主導(dǎo)了FormFactor半導(dǎo)體晶圓測試的三維MEMS接觸技術(shù)研發(fā)。

商業(yè)模式方面，Enovix在電池領(lǐng)域最先打入的賽道是小型電子設(shè)備，包括可穿戴設(shè)備以及3C消費電子等。

而以可穿戴設(shè)備作為突破點的原因，據(jù)官方招股書披露，是基于成本的考量，可穿戴設(shè)備行業(yè)對電池成本不那么敏感，但對于能量密度要求更高，這也契合硅負(fù)極電池的優(yōu)勢。

截止到目前，Enovix成品電池的能量密度已經(jīng)可以達(dá)到900Wh/L，同時已經(jīng)通過深度循環(huán)500次的測試。

對于后續(xù)的規(guī)劃，因為消費類電子的市場規(guī)模遠(yuǎn)不足電動車市場，Enovix計劃通過3D電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，在2023-2024年進(jìn)入動力電池領(lǐng)域，目前已經(jīng)在相關(guān)業(yè)務(wù)上與三菱汽車達(dá)到合作。

融資進(jìn)展上，截止到2020年初，Enovix已經(jīng)進(jìn)行了6輪累計近2億美元的融資：

• 2007年3月，A輪融資230萬美元，投資方為DCM Ventures；
• 2008年9月，B輪融資1200萬美元，投資方為Trinity Ventures；
• 2012年3月，C輪融資1500萬美元，投資方為DCM Ventures和Sofinnova Investments；
• 2016年4月，D輪融資1億美元，由英特爾領(lǐng)投，Qualcomm，Cypress賽普拉斯半導(dǎo)體跟投；
• 2018年8月，獲得1700萬美元風(fēng)投資金，投資方不詳；
• 2020年3月，獲得E輪融資4500萬美元，由賽普拉斯半導(dǎo)體創(chuàng)始人T·J·Rodgers個人投資。

從投資人來看，Enovix有英特爾這樣的巨頭，也有賽普拉斯這樣的半導(dǎo)體公司，但唯獨沒有主機(jī)廠的投資。

2021年2月，Enovix通過SPAC合并借殼上市，融資金額4.05億美元，估值11億美元。截止到上周五，Enovix股價報11.12美元/股，市值達(dá)到17.44億美元。

國內(nèi)硅負(fù)極電池有啥進(jìn)展？

目光再說回國內(nèi)，硅負(fù)極電池研發(fā)，現(xiàn)在什么景象？

就目前來說，硅負(fù)極電池已經(jīng)成為電池制造商和主機(jī)廠重點發(fā)力的領(lǐng)域，但從技術(shù)路線來說，國內(nèi)主要是在材料進(jìn)行突破，而不是電池結(jié)構(gòu)。

以廣汽的海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)為代表，分別是在電極材料、粘合劑和修復(fù)技術(shù)上入手，具體來看：

首先是通過納米復(fù)合硅技術(shù)，將硅材料控制在納米尺度，并在表面覆蓋保護(hù)層用以控制微觀狀態(tài)，同時避免硅元素與電解液的直接接觸，從而控制充放電過程中的體積膨脹。

其次是在極片連接上采用具有自修復(fù)功能的粘合劑技術(shù)，讓破損的硅負(fù)極可以在膨脹收縮過程中得以自我修補(bǔ)，保證電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

最后是梯度復(fù)合涂布技術(shù)，通過硅負(fù)極極片活性組分與非活性緩沖組分的梯度分布設(shè)計，大幅提升了活性層與集流體的結(jié)合力，改善了負(fù)極極片本體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

除此之外，商業(yè)化方面，則是以貝特瑞、國軒高科等電池產(chǎn)業(yè)鏈玩家走在前面。

其中貝特瑞已經(jīng)在2013年實現(xiàn)硅負(fù)極材料的商業(yè)化，是國內(nèi)最早量產(chǎn)硅負(fù)極材料的企業(yè)之一，就在不久前，貝特瑞還在深圳投資建設(shè)了年產(chǎn)4萬噸的硅負(fù)極材料生產(chǎn)線。

國軒高科則是在2016年投建5000噸硅基材料項目，并在去年年初發(fā)布210Wh/kg軟包磷酸鐵鋰電芯，宣布首次在磷酸鐵鋰化學(xué)體系中成功應(yīng)用硅負(fù)極材料。