納米硅-石墨陽極提高下一代電動汽車電池的效率

OneD Battery Sciences 開發(fā)了一種新技術(shù)，可以提高電動汽車電池的效率。被稱為 SINANODE 的專有專利技術(shù)是電池制造過程中的一個步驟，它將硅納米線融合到用于陽極的商業(yè)石墨粉上，提高了能量密度和壽命，同時降低了 EV 電池的成本。據(jù) OneD Battery Sciences 稱，這項技術(shù)可以將陽極的能量密度提高三倍，同時將每千瓦時的成本減半。

目前EV電池負極材料石墨的比容量約為350 mAh/g，而純硅可實現(xiàn)3,575 mAh/g的比容量，至少比傳統(tǒng)電池大10倍石墨陽極。新技術(shù)利用硅（最有前途的負極材料之一）的特性，將硅納米線直接生長并融合到電池制造商已選擇的商業(yè)石墨粉的顆粒上，從而增加了電動汽車的續(xù)航里程同時也縮短了充電所需的時間。新技術(shù)有兩個相關(guān)的關(guān)鍵因素。首先是該過程與使用哪種石墨（合成或天然）以及石墨顆粒的大小無關(guān)。第二是制造過程可以使用已經(jīng)部署的機器，使該解決方案非常實惠且可擴展。根據(jù)OneD Battery Sciences的說法，由于使用了在可再生能源行業(yè)中已經(jīng)很常見的材料，特別是太陽能電池板的生產(chǎn)，其中使用廉價的硅烷氣體 (SiH 4 )，并且非常高的成本，SINANODE 技術(shù)的成本仍然很低。用于將硅烷轉(zhuǎn)化為納米硅的產(chǎn)量和適量的電力。

圖 1：電池需求增長（來源：OneD）

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在過去幾年中，SINANODE 通過將該技術(shù)應(yīng)用于用于電動汽車電池陽極的商用電動汽車級石墨，得到了美國、歐洲和亞洲的石墨供應(yīng)商、電池制造商和電動汽車制造商的測試。

OneD 首席執(zhí)行官 Vincent Pluvinage 表示：“OneD 正致力于擴大制造工藝，將硅納米線添加到已用于電動汽車電池的商業(yè)石墨中。” “這樣做的原因是讓汽車制造商能夠提供續(xù)航里程更長、充電更快、成本更低的電動汽車。這基本上是我們的使命，在過去的 14 年里，我們一直在研究這項技術(shù)?！?/p>

硅是地球上僅次于氧的第二大元素，如今以微米級氧化硅顆粒的形式使用，與 EV 級石墨混合以增加陽極的比容量（例如，在特斯拉Y 或保時捷 Taycan）。硅納米線，如圖 1 所示，可以與 EV 級石墨融合，提供卓越的優(yōu)勢，例如減小尺寸、形狀和表面；更好的強度、連接和分布；以及更高的速度、安全性和可持續(xù)性。SINANODE 材料變形以填充碳負極材料基質(zhì)內(nèi)的空隙區(qū)域，同時在 100% 放電深度循環(huán)和長循環(huán)壽命后保持完整和功能齊全。

圖 2：硅納米粒子與納米線（來源：OneD）

OneD 開發(fā)的技術(shù)具有多種相關(guān)優(yōu)勢，包括更快的充電、更長的續(xù)航里程和電池壽命、更低的成本、可擴展性以及與全球現(xiàn)有供應(yīng)商的輕松集成。除了使陽極比容量增加三倍之外，SINANODE 技術(shù)還實現(xiàn)了更高的初始庫侖效率（大于 92%），超過 1,000 次完全充電/放電循環(huán)，比當(dāng)今可用的 EV 電池中使用的任何硅添加劑都要高。

如圖 3 和圖 4 所示，通過使用多個供應(yīng)商提供的商業(yè)制造 CVD 設(shè)備可以保持較低的成本，僅使用硅烷 (SiH 4 ) 和氮氣，這些氣體已經(jīng)用于電子和太陽能行業(yè)，價格低廉且可大量使用. 據(jù) Pluvinage 稱，這減少了將 SINANODE 技術(shù)擴展到 EV 數(shù)量所需的投資和時間，同時與當(dāng)前使用的陽極成本相比，EV 陽極的成本降低了近 50%。

圖 3：SINANODE 步驟（來源：OneD）

圖 4：SINANODE 過程可變成本（來源：OneD）

圖 3 中突出顯示的 SINANODE 步驟取代了三個步驟：冶金級硅 (MGS) 純化、將其研磨成納米硅以及將硅和石墨與聚合物混合。

用于電動汽車電池陽極和陰極制造的材料可分為活性材料和非活性材料。活性材料是可以儲存鋰的材料，而非活性材料可以儲存其他任何東西。如果我們同時查看 EV 電池的成本和性能，它們主要是指陽極和陰極中的活性材料。

“我們不對陰極做任何事情，但我們需要與各種 EV 陰極化學(xué)物質(zhì) [NCA、NMC 或 LFP] 兼容，”Pluvinage 說。

在負極方面，絕大多數(shù)鋰離子電池僅使用石墨作為活性材料。石墨正在大量生產(chǎn)，它是電的良導(dǎo)體，鋰離子可以儲存在石墨顆粒內(nèi)部的石墨烯層之間。到目前為止，石墨中可以儲存的最大能量是有限的，但硅已被證明能夠增加陽極的能量密度。

“我們的工藝采用石墨，并在石墨顆粒上直接生長出細小的硅毛；因為硅納米線非常小，所以它們具有非常特殊的特性，”Pluvinage 說?！爸匾氖俏覀兛梢砸苑浅４蟮囊?guī)模和非常低的成本做到這一點。”

SINANODE 也是一種可持續(xù)技術(shù)。通過使用更少的石墨和每千瓦時碳足跡更小的SiH 4來減少碳足跡。陽極也更輕，這意味著我們在相同范圍內(nèi)需要的材料更少，從而減輕了重量并延長了電池壽命。

“回收我們的技術(shù)非常容易，因為它只依賴于兩件事：石墨和硅，”Pluvinage 說?！八匀绻悴痖_電池，你可以很容易地將石墨與其他部分分開，然后再利用它來制造新電池。我認為可以公平地說，我們在所有三個階段都提高了可持續(xù)性：生產(chǎn)、使用和壽命結(jié)束。”

減少碳足跡涉及 OneD 所謂的地緣政治方面。因為它們很重，所以在世界各地運輸電池的成本很高。這就是為什么大型全球電動汽車制造商希望依靠他們的本地供應(yīng)鏈，使用他們自己的石墨，在每個主要地區(qū)（美國、歐洲和亞洲）的工廠生產(chǎn)。

“我們的解決方案適用于任何類型的石墨，”Pluvinage 說?！拔覀儾皇鞘a(chǎn)商，但我們能夠提高客戶在三個地區(qū)中的每一個選擇的石墨。這就是我們所說的地緣政治方面?！?br />
審核編輯 黃昊宇