Enevate表示其硅负极技术已做好了量产准备

Astroys/Astroys更新于 2020-03-12 08:54:16

在过去的十年，将硅引入动力电池一直是电动车行业的主要课题。硅被广泛认为是负极技术中的下一个重要突破，因为硅的理论充电容量是典型石墨负极的十倍。许多专家认为，电池供应商之间正在竞相在负极中采用越来越多的硅。

用硅代替电池中的石墨意味着可以使用更少的负极材料，并用更多的正极材料填充额外的空间，从而有效地增加了在相同体积内可存储的总能量。这是由于硅“存储”锂的方式存在根本差异。层状石墨结构通过一种称为嵌入的过程吸收锂离子，它本质上由允许将锂离子存储在各层之间的石墨烯片组成。另一方面，硅可以吸收更多的锂离子，因为这两种元素形成的合金的理论容量远远高于石墨。

不幸的是，硅负极技术的实际进展并不容易，因为硅面临的挑战来自使其具有吸引力的相同属性。与具有特定开放位置并等待离子的多孔石墨材料不同，当形成锂硅合金时，负极的结构发生变化，从而导致较大的体积波动。例如，如果硅颗粒吸收了许多锂，其体积会增加约300％。相比之下，在锂嵌入石墨时仅发生约7％的膨胀。

许多硅负极实验中的问题在于，在充放电过程中反复膨胀和收缩会导致循环寿命大大缩短。因此，为了在生产电池中使用该技术，生产商们只添加少量硅。基本上，它们仍主要使用合成石墨，同时尝试逐步增加负极中的硅含量。

加州的初创公司Enevate决定跳过这一步。该公司着手寻找一种完全放弃石墨的方法，并制造出以硅为主的负极。迄今为止，LG化学、三星和雷诺-日产-三菱等行业重量级玩家已向Enevate投资了1.11亿美元。可见业界对该公司技术潜力的认可。

Enevate最近推出了其第四代XFC-Energy电池技术（eXtreme Fast Charging），并表示目前正在与多家OEM和电池供应商合作，将其技术用于2024-2025年推出的电动车。

以下是Charged就Enevate的硅负极技术对Enevate的创始人兼CTO Ben Park和市场与产品执行副总裁Jarvis Tou进行的交流内容。

Charged：能描述一下Enevate的硅负极技术上的方法与该领域其他领先者有何根本不同吗？

Ben Park：首先要了解是，其他公司正在使用渐进的方法，而我们并非如此。例如，特斯拉和三星SDI正在使用硅作为负极的添加剂。因此，即使他们声明是硅负极，但基本上还是一个石墨负极，只不过添加了一点硅。许多年来，人们一直在付出巨大的努力来提高硅的比例。这些石墨系统中最常见的硅是以SiO或SiOx的形式出现的，基本上就是氧化硅。

这种方法存在很多挑战。首先，它非常昂贵。许多SiO产品的价格都在每公斤100美元以上，基本上比石墨高一个数量级。其次，事实证明这些硅基材料的初始铬效率存在问题。因此，当你第一次制造电池时，会用掉部分锂，而不会将所有的锂都收回。锂基本上是从正极泄漏的，如果添加更多，实际上会降低电池的能量密度。当然，硅的膨胀和收缩是众所周知的，且会让电极损坏，从而导致循环寿命方面的性能问题。

各家公司最近以大约3-8％的活性材料形式添加了硅，并正努力达到10％。

我们的方法本质上不同。我们不是使用石墨负极并添加硅，而是在说： “我们不要使用石墨作为活性材料，只使用硅。 ”据我们所知，我们是第一个这样做的公司。我认为现在还有其他公司在模仿我们的方法，但我们相信我们是第一家。

Charged：你能解释一下在没有石墨的情况下所要克服的技术挑战吗？

Ben Park：硅有多种模式会损坏电极。所有这些都与扩张和收缩息息相关。因此，当硅吸收所有的锂时，它会膨胀到其原始尺寸的约3-4倍。显然，这是一个问题。电池充放电时，会对电极和电芯造成持续的损伤。就好比是一只先充气再放气的气球，硅的作用就是这样。

现在，假设你正尝试将这些气球放在一起。你可以尝试用硬胶将它们粘在一起，但如果你用橡胶或塑料将它们固定在一起，由于气球会不断膨胀和收缩，它们的固定效果就不会很好。最初，人们试图使用一种非常灵活的粘合剂。如果我们坚持使用气球的类比，就好比尝试使用非常柔软的橡胶将气球固定在一起，气球之间的材料将随着气球一起膨胀和收缩。到目前为止，这还没有成功，因为硅并非完全像气球那样进行同样的膨胀收缩，硅每次都会有所不同。它更像是电镀和去镀，就像你在铅酸电池中看到的那样。

我们首先通过消除粘合剂解决了这个问题。我们不使用聚合物粘合剂，因为它们太脆弱了。我们基本上只有一个材料的薄膜。我们的方法是制造一种活性材料。它基本上是一片粉末，而不是与聚合物结合在一起的十亿个粉末颗粒。这样，硅可以在整个刚性结构内膨胀和收缩，一切都是导电的。即使有裂纹，它也不会失去与材料其余部分的电气连接。我们之所以放弃了聚合物，是因为无论你制造出多高的刚性或柔韧性，它似乎都行不通。

我们的第二个独特解决方案与电化学有关。如果你将硅与石墨完全结合在一起，那么你基本上会被迫“一直”使用硅，这会导致循环问题。因为我们不使用任何石墨，所以我们有更多选择。

假设我们有一个石墨负极，例如其锂化发生在约0.1V或更低的电压下。这意味着，当你为电池充电时，负极电压将降低，然后必须将电压降至0.1V或更低，才能使锂进入负极。给电池充电时，电池的电压会增加，但电池的电压基本上是正极电压减去负极电压。因此，随着电池电压的增加，正极电压增加而负极电压减少。为了使石墨吸收锂，你必须使石墨电压非常低。简单地说，假设低于0.1V。硅实际上会吸收高于0.1V的锂，几乎所有锂都将与高于0.1V的硅发生反应。

这意味着，如果你要创建一个同时包含石墨和硅的系统，那么在为电池充电时，几乎所有的硅都会先发生反应，然后石墨才会发生反应。因此，在试图同时使用石墨和硅的系统中，必须充分利用硅。这意味着硅的体积将扩大3-4倍。它的反应性很强，会引起问题。我们不使用石墨，因此我们不必将硅带到不稳定的水平。我们不必对其进行太多扩展，因此我们能够以更合理的方式使用硅。我们使用的硅较少，这没关系，因为我们的硅更便宜。

通过使用这两种机制（消除粘合剂并使用了较少的可用硅），我们能够解决硅的主要问题。我们还必须确保我们的资源容易获得且价格低，否则它在汽车行业中就没有前景。我们能够使用更便宜、更环保的硅资源，这意味着二氧化碳排放量要比其他公司低。这对于汽车行业至关重要。我们非常高兴我们的技术方法能够实现更好的电化学性能，同时也能够实现更好的性价比和更多的可持续性。

Charged：如何控制循环过程中电池中硅的使用量？

Ben Park：这仅仅是与电池设计有关的东西。如今，商用电池中的锂都来自正极。以NCA这样的高镍材料为例，它是一种锂金属氧化物，所有的锂都从正极出来，进入负极，如此来回。因此，我们要做的是设计电池，使锂受到电池中正极的限制。因此，无论你想给电池充多少电，都不会损坏负极。

Charged：如果完全使用硅，它将膨胀300-400％，那么你们的硅负极情况如何？

Ben Park：在电芯水平上，我们通常只会看到3-8％，这就是其他石墨电池的水平范围。硅本身仍将扩展50-100％，具体取决于电芯设计。但它实际上在电极和电池的设计内部吸收，因此你永远不会从外部看到这种膨胀。

我们没有单一的电芯设计，因此很难准确地说出来。我们根据客户的需要选择正极。如你所知，我们现在参与了许多汽车方面的工作。每家汽车公司和电池公司在正极方面都有自己的偏好。好消息是，我们的技术似乎可以与大多数正极兼容。我们拥有自己的参考设计，但到目前为止，我们一直与合作伙伴的材料和电芯设计配合良好。这些包括你可能听说过的高镍正极，例如高镍NCA、NCM811、NCMA，低钴或其他高级正极。

Charged：你已经说过，新的第四代XFC-Energy技术可在800Wh/L能量密度下实现5分钟充电75％。为何能实现如此快的充电速度？

Ben Park：有多种因素有助于快速充电。首先，硅的化学性质使其可以更快地反应。想像一下你进入一家电影院，如果你想找个座位，那么在几乎满座的电影院中花的时间要比在半空的电影院中花费的时间长得多。由于我们使用的是不含石墨的硅，而且我们可以将很多硅留空，因此锂更容易找到位置。

第二个原因是，因为我们可以保持较高的电压，所以很难产生锂镀，这对石墨电池来说是个大问题。还有其他问题，但这是两个主要原因。

Charged：这是你们的第四代技术了。你们前几代的技术已经商业化了吗？

Jarvis Tou：我们的第一、第二甚至第三代产品最初是为消费类电子产品设计的。我们几乎与一家手机厂商一起进入市场，要在美国销售。这是完全商业化的量产，但那时我们作为一家初创公司必须做出选择，是否要进入生产模式，并要如此维持相当长的时间。

我们看到了即将到来的浪潮，电动车需要大量的动力电池，这是消费类电子产品和其他所有行业都没法相比的。因此我们不得不问自己： “我们会转向电动车吗？ ”最终，这就是我们的选择。即使最终已完全商业化，我们也没有进入消费类电子市场。 3-4年前，我们转向了高镍正极，开始研究动力电池。我们的投资者引导我们专注于电动车市场，因为这是一场不可避免的浪潮，它向我们袭来，让一切其他领域都相形见绌。

Ben Park：随着转向电动车，循环寿命是我们通过技术不断改进的主要内容。现在，我们已经展示了现阶段OEM可以接受的循环寿命，我们将重点放在扩大规模上。我们今天的大部分努力都在朝着规模化和商业化迈进。

我们的业务模式是技术授权。我们称自己为技术供应商，因为我们经常与客户合作推进技术，我们还拥有一条重要的生产线，用于测试和收集信息。大多数技术授权公司仅拥有专利，但实际上我们有一条生产线。但该产线的产品不会用来销售，至少目前不会。我们的主要目标是收集大量数据，以便可以帮助建立大规模的生产线，无论是电池供应商还是汽车公司。

Jarvis Tou：我们在核心研发上花费了大量的时间和精力。最初，我们的目标是向电池供应商授权，但随着OEM意识到电池不仅仅是“燃料箱”，我们发现了电动车行业正在发生巨变，它实际上是整个电动车的动力总成或动力驱动。正如特斯拉所证明的那样，它决定了电动车的几乎所有方面。重量、性能、操控、价格、内部空间和载物空间几乎全都受电池的影响。在动力总成层面，许多OEM都想要自己来掌握。他们几乎是在借鉴苹果的做法，即拥有电池及其供应链的设计，并自行授权和构建核心的电池级和材料级电池技术。然后，他们可以随时与不同的电池供应商签约或成立合资企业，甚至自己制造电池。这就是我们所看到的，这可能是该行业的重大转变。