隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)意識的不斷提高，電動汽車(EVs)市場正迅速發(fā)展。然而，要實(shí)現(xiàn)EV的普及，關(guān)鍵在于電池技術(shù)的發(fā)展。特別是高能量密度的鋰離子電池，其在電動汽車市場中的地位至關(guān)重要。
目前，商用鋰電池通常采用石墨作為負(fù)極，正極材料則為磷酸鐵鋰或鋰鎳錳鈷氧化物等多元鋰鹽。這類電池的實(shí)際比能量大約為 250Wh kg-1，難以滿足下一代電池的需求。電動汽車市場迫切需要比能量更高的鋰電池(>400Wh kg-1)，以實(shí)現(xiàn)更長的行駛里程(>500km)。
在過去的十多年里，硅基材料因其理論容量是石墨的近 10 倍而備受關(guān)注。然而，硅基材料在實(shí)際應(yīng)用中面臨三大主要挑戰(zhàn)：
第一，硅是半導(dǎo)體，電導(dǎo)率較低。
第二，充放電過程中，硅的體積膨脹系數(shù)大(~300%)，存在安全隱患，易引發(fā)電池爆炸。
第三，體積膨脹導(dǎo)致電極材料表面的鈍化層不穩(wěn)定，循環(huán)性能差。
圖丨鋰離子電池發(fā)展歷程(來源：Nature Communications)
這些問題限制了硅基材料在鋰電池中的應(yīng)用。因此，目前商業(yè)領(lǐng)域主要是在石墨中添加少量硅，制成復(fù)合負(fù)極材料，以提升鋰電池的比能量。
近期，總部位于美國密歇根州的新能源材料公司 Paraclete Energy 宣布，推出一種名為 SILO Silicon? 的革命性硅負(fù)極材料，有望改變鋰離子電池市場，尤其是電動汽車電池領(lǐng)域。
這種創(chuàng)新技術(shù)提供了更高的能量密度和成本效益，可以使電動汽車的續(xù)航里程更長、充電速度更快、成本更低。
復(fù)合材料采用聚合物基質(zhì)，提高了負(fù)極復(fù)合材料中的硅含量，其能量密度比傳統(tǒng)石墨負(fù)極高出 300%。
Paraclete Energy 計(jì)劃于 2024 年第四季度開始交付 SILO Silicon? 負(fù)極材料，其預(yù)計(jì)，“比競爭對手項(xiàng)目提前了數(shù)年”。
圖丨SILO Silicon? 負(fù)極材料(來源：Paraclete Energy)
美國的電池制造商更專注于磷酸鐵鋰電池，因此，該公司計(jì)劃使用 SILO Silicon? 材料替代磷酸鐵鋰電池中常用的傳統(tǒng)石墨負(fù)極。
據(jù)估算，該材料的電池成本為每千瓦時 35 美元，而目前同類電池的成本約為 53 美元/千瓦時。
圖丨SILO Silicon? 負(fù)極材料成本對比(來源：資料圖)
據(jù)公司相關(guān)資料，SILO Silicon? 的能量密度可達(dá)到 520Wh/kg，“遠(yuǎn)超傳統(tǒng)石墨負(fù)極”，性能是商用材料的 3 倍。
更高的能量密度使電池在同等重量下能夠提供更多能量，非常適合電動汽車和固定儲能應(yīng)用。
該公司致力于突破電池技術(shù)的限制，迎合全球向可再生能源轉(zhuǎn)型以及對高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠能源存儲解決方案的日益增長的需求。
Paraclete Energy 的 CEO 杰夫·諾里斯(Jeff Norris)對媒體表示：“我們的 SILO 硅正極技術(shù)代表了經(jīng)濟(jì)高效、高性能儲能的未來，不僅能顯著降低成本，還為電動汽車和固定儲能的快速應(yīng)用設(shè)立了新的標(biāo)準(zhǔn)?！?/span>
圖丨SILO Silicon? 負(fù)極材料能量密度對比(來源：資料圖)
雖然公司尚未公布具體的負(fù)極配方，但在產(chǎn)品說明書中引用了美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果。
數(shù)據(jù)顯示，SILO Silicon? 材料的硅含量高達(dá) 83%。而目前商用硅基負(fù)極材料普遍采用昂貴的高溫工藝，硅含量普遍低于 20%，其余成分主要為碳基質(zhì)，含量大于 80%，用于穩(wěn)定硅材料，減少電極膨脹。
Paraclete Energy 公司的 SILO Silicon? 材料中，硅含量大幅提高的原因，得益于先進(jìn)的材料科學(xué)和優(yōu)化的制造工藝。
SILO Silicon? 采用一種廉價(jià)的聚合物基質(zhì)，將直徑約 150 納米的硅顆粒，封裝在直徑為 5 到 7 微米的聚合物微球中。
利用高分子交聯(lián)性、彈性和多孔性，將電極膨脹率控制在低于 4% 的水平，有效解決了硅基材料膨脹帶來的問題，滿足鋰離子電池的安全要求。
多孔聚合物微球使電極材料具有高離子導(dǎo)電性，且電極鈍化層可以在微球表面形成，避免了硅納米顆粒膨脹對鈍化層穩(wěn)定性的影響，成功解決了硅基負(fù)極的三個主要挑戰(zhàn)。
此外，該材料的全電池倍率性能可以從 1C 提升到 8C，最快在 7.5 分鐘內(nèi)充滿電，并通過降低恒流充電循環(huán)中的過電位，提高 6C 循環(huán)的容量保持率，首次庫倫效率達(dá)到 90%。
諾里斯對媒體表示：“我們在 2021 年底開始與客戶進(jìn)行測試，目前正在進(jìn)行第三和第四輪的性能優(yōu)化。由于不同正極材料的電壓范圍不同，我們必須將其與硅負(fù)極進(jìn)行匹配?！?/span>
目前，SILO Silicon? 材料可以使現(xiàn)有電池組的續(xù)航里程超過 1000 公里。實(shí)際測試中，充放電循環(huán)次數(shù)超過 1000 次。
“這項(xiàng)技術(shù)滿足了目前市場的關(guān)鍵需求，提供更長的續(xù)航里程、更快的充電速度和更低的成本——所有這些都是加速電動汽車普及的重要因素?！敝Z里斯對媒體說。
總之，SILO Silicon硅負(fù)極材料的推出為鋰離子電池市場帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，有望推動電動汽車和可再生能源領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。隨著新能源汽車市場的不斷擴(kuò)大，我們有理由期待這一創(chuàng)新材料在未來發(fā)揮更大的作用。
參考資料：
1. G. G. Eshetu, et al., Production of high-energy Li-ion batteries comprising silicon-containing anodes and insertion-type cathodes. Nature Communications 2021, 12, 5459.
2. https://www.paracleteenergy.com/
3.https://www.electrive.com/2024/08/19/paraclete-announces-battery-density-breakthrough/
4.https://www.electrive.com/2024/07/31/new-battery-material-supplier-hits-the-us-market/
5.https://www.paracleteenergy.com/2024/08/14/paraclete-energy-achieves-cost-effective-energy-storage-at-35-kwh-vs-lfp-at-53-kwh/
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