利用芯片技術(shù)，3D鋰電池有望解決“炸藥包”問題
鋰電池廣泛用于現(xiàn)代各種移動設(shè)備中，它具有質(zhì)輕、高效、能量密度高等一系列其它電池無法比擬的優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計的固有缺陷與制造工藝都會使鋰電池具有不可避免的安全隱患。得益于芯片制造技術(shù)，Enovix設(shè)計出了當前性能最好的鋰電池，制造該電池的技術(shù)有望改變整個鋰電池行業(yè)。鋰電池是現(xiàn)代數(shù)字化革命的主力軍。它已經(jīng)廣泛用于手機、筆記本電腦、汽車等一系列移動電子設(shè)備之中，是目前商業(yè)上最搶手的能量存儲系統(tǒng)之一。相比于其它化學(xué)電池，鋰電池質(zhì)輕、能量密度高，因此可以將體積做到很小置于現(xiàn)代各種便攜式移動設(shè)備中。如果沒有鋰電池，也就沒有現(xiàn)代如此先進的智能手機、筆記本電腦，電動汽車的未來也令人堪憂。自鋰電池商業(yè)化以來，雖然它在商業(yè)上已經(jīng)非常成功，但它仍然有明顯的缺點：成本仍然很高;高溫下不穩(wěn)定;能會爆炸或引發(fā)火災(zāi)等。在去年，就發(fā)生了一系列與鋰電池燃燒、爆炸有關(guān)的震驚消息：筆記本電腦被燒毀，航班被取消，懸浮滑板在工作時起火。在美國，去年因鋰電池起火，三星召回了價值高達50億美元的GalaxyNote7智能手機，并中止了該模型的繼續(xù)使用，這使得三星的市值減少了數(shù)十億美元。經(jīng)過幾個月的檢測，今年一月份三星宣布這些故障主要來自于鋰電池的設(shè)計。傳統(tǒng)的鋰電池設(shè)計起源于特定的歷史背景，這在當時是有意義的。但是我們今天可以利用芯片制造行業(yè)提供的制造工藝來做的更好。位于美國加州的Enovix公司已經(jīng)證明，他們能夠生產(chǎn)比目前市場上體積更小、更便宜、更安全的鋰電池。Enovix成立于2007年，該公司的啟動資金來源于硅谷的幾家風險投資公司。該公司首先對是否可用硅代替石墨做可充電鋰電池的陽極材料進行概念驗證研究。到2012年，該公司開始生產(chǎn)比傳統(tǒng)鋰電池具有更高能量密度的電池。然后，在戰(zhàn)略投資者賽普拉斯半導(dǎo)體、英特爾和高通的幫助下，Enovix開始開發(fā)低成本、大批量的生產(chǎn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的鋰電池設(shè)計起源于索尼公司生產(chǎn)磁帶的過程：磁帶是在塑料薄膜帶基上涂覆磁漿，然后干燥，切成長條形再將其卷起而制成。如果將化學(xué)漿料涂在金屬箔上，干燥，并將其切成電極片;然后，將兩個電極片中間夾一層聚合物電解質(zhì)隔膜，允許離子在兩電極之間流過但不允許電子通過;最后，將整個堆疊而成的結(jié)構(gòu)像果凍卷一樣纏繞在一起，這就形成電池的關(guān)鍵部分。這種設(shè)計很巧妙，但是要進一步提升這些電池的性能變得更加困難。一方面，這種設(shè)計很浪費空間，限制了能量密度;另一方面，鋰電池的材料選擇，組裝過程會給電池留下安全隱患。Enovix電池對此做出了重要的改進：第一，使用硅晶圓光刻技術(shù)在硅晶圓上制造電池;第二，將傳統(tǒng)鋰電池的陽極材料石墨換成了多孔硅。在組裝好的傳統(tǒng)鋰電池中，儲存能量的材料只有那些構(gòu)成陽極(負電極)和陰極(正電極)的顆粒。通常情況下，金屬箔集流體，電解質(zhì)，封裝材料以及未被利用的空間占電池總體積的40%，如此大量的、未被利用儲能的空間很大程度上降低了電池的能量密度。Enovix電池使用了來自芯片行業(yè)的硅晶圓光刻技術(shù)，在1毫米厚的硅晶圓上制造陰極，陽極和隔膜，這顯著地減少了浪費的空間。在這種電池中，75%的電池體積用于儲存能量，這比傳統(tǒng)電池增加了約25%的電容量。類似地，對于給定容量的電池，電池重量會成比例地減少。體積通常是電池用于移動設(shè)備中更關(guān)鍵的約束。將電極集成到硅晶圓上，使電池的陰極也更安全。通常，陰極材料都有自己的工作溫度范圍，當工作溫度超過臨界溫度，陰極材料就會自動分解，釋放出支持燃燒的氧。如果這個過程持續(xù)發(fā)生，就可能造成起火或爆炸。該電池結(jié)構(gòu)將陰極分成了成千上萬個由硅分離開來的微小部分，硅的導(dǎo)熱速度很快，這就使得因熱擴散引起的起火、爆炸變得更加困難。使用硅作為鋰電池陽極也能減少故障發(fā)生的幾率。當鋰離子從鋰金屬氧化物陰極流到石墨陽極(幾乎是在移動設(shè)備中的鋰電池的標準陽極材料)時，也可能發(fā)生額外的問題。通常，鋰離子位于石墨晶體點陣結(jié)構(gòu)的空隙中。但是，在大電流、活性陽極材料局部缺乏或低溫的環(huán)境溫度下，都可能導(dǎo)致鋰離子遷移到石墨的表面上。然后，鋰金屬傾向于以樹枝晶的結(jié)構(gòu)積聚，在電池充電和放電的過程中，樹枝晶會繼續(xù)生長，最終刺穿隔膜造成短路，這也可能導(dǎo)致起火或爆炸。最后，傳統(tǒng)的鋰電池過熱會變得不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致熱致失效。圖|熱致失效：磁性記錄帶生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的傳統(tǒng)鋰電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)易受熱量的影響，可能產(chǎn)生爆炸或起火現(xiàn)象，進一步造成災(zāi)難性的后果。1.熱量產(chǎn)生;2.保護層破壞;3.電解液分解成易燃氣體;4.隔膜熔化，可能造成短路;5.陰極破壞，產(chǎn)生氧圖片來源：llustration硅陽極還有另一大優(yōu)勢:比容量大大地提高。對于傳統(tǒng)鋰電池而言，電池充電時，石墨陽極吸收鋰離子形成碳化鋰(LiC6);電池放電時鋰離子重新回到電解質(zhì)中，石墨的理論比容量約為372mAh/g。使用硅作為鋰電池陽極，充電時硅與鋰能形成Li22Si5合金，電池的理論比容量高達4200mAh/g，這是非常大的量。然而，硅替代石墨后會引入另一麻煩：在硅吸收鋰后，硅體積膨脹厲害，最高可達4倍，這會使電池結(jié)構(gòu)的完整性被破壞。Enovix電池使用多孔硅解決了這一問題：在充放電的過程中，膨脹會使多孔硅材料的孔變得更小，而不至于使整個陽極膨脹，這就使得電池在重復(fù)充放電循環(huán)期間電池結(jié)構(gòu)的完整性能夠得以保持。這種控制陽極膨脹的能力是Enovix電池系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢之一，超越了索尼率先開發(fā)的傳統(tǒng)鋰離子電池結(jié)構(gòu)。相同體積條件下，Enovix電池容量可達傳統(tǒng)鋰電池容量的1.5-3倍。平整的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了另一優(yōu)勢：安全性提高了。那么具體是怎么實現(xiàn)的呢?一方面，該電池使用了更好的隔膜。在傳統(tǒng)的鋰電池中，隔膜通常由塑料或高分子材料制成，因為隔膜材料必須具有足夠的柔性，便于卷起。然而，塑料和隔膜在高溫下容易失效。這種平面設(shè)計允許我們采用陶瓷作為隔膜，增加了耐熱性，降低了失效的風險。實驗表明，上述的重要改進不僅提高了鋰電池的容量，也基本上就消除了爆炸和起火的危險。Enovix做了一個測試：將一個容量130mAh的傳統(tǒng)鋰電池和一個由他們制造的100mAh的硅鋰電池過度充電到各自容量的250%，然后通過標準的針刺測試。結(jié)果傳統(tǒng)的鋰離子電池突然著火，而硅鋰離子電池卻沒有起火。Enovix的另一個實驗表明，相同條件下，這種新型硅鋰電池比傳統(tǒng)鋰電池具有更高的容量。圖|位于加利福尼亞州弗里蒙特的Enovix試點廠：標準的太陽能電池制造設(shè)備生產(chǎn)的3D硅晶圓來源：EnovixCorporation該電池的制造技術(shù)大部分來源于芯片制造行業(yè)。光刻和硅晶圓已不是第一次改變世界，當電腦開始使用集成電路時，這一切就發(fā)生了。這些技術(shù)早已被用于生產(chǎn)發(fā)光二極管、陰極射線管、激光器、視頻顯示器等許多產(chǎn)品。使用來自計算機芯片制造中的該技術(shù)可能會徹底改變整個鋰電池行業(yè)。
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