锂电池广泛用于现代各种移动设备中,它具有质轻、高效、能量密度高等一系列其它电池无法比拟的优势。

然而,传统锂电池结构设计的固有缺陷与制造工艺都会使锂电池具有不可避免的安全隐患。得益于芯片制造技术,Enovix设计出了当前性能最好的锂电池,制造该电池的技术有望改变整个锂电池行业。

锂电池是现代数字化革命的主力军。它已经广泛用于手机、笔记本电脑、汽车等一系列移动电子设备之中,是目前商业上最抢手的能量存储系统之一。

相比于其它化学电池,锂电池质轻、能量密度高,因此可以将体积做到很小置于现代各种便携式移动设备。如果没有锂电池,也就没有现代如此先进的智能手机、笔记本电脑,电动汽车的未来也令人堪忧。

自锂电池商业化以来,虽然它在商业上已经非常成功,但它仍然有明显的缺点:成本仍然很高;高温下不稳定;能会爆炸或引发火灾等。

去年就发生了一系列与锂电池燃烧、爆炸有关的事件:笔记本电脑被烧毁,航班被取消,悬浮滑板在工作时起火。在美国,去年因为锂电池起火,三星召回了价值高达50亿美元的Galaxy Note 7智能手机,并中止了该模型的继续使用,这使得三星的市值减少了数十亿美元。

经过几个月的检测,三星在今年一月宣布这些故障主要来自于锂电池的设计。传统的锂电池设计起源于特定的历史背景,但是今天可以我们完全可以利用芯片制造制造工艺提高锂电池的生产水平。

位于美国加州的Enovix公司已经表示,他们能够生产比目前市场上体积更小、更便宜、更安全的锂电池。

017ednc20170601 *图 | Enovix硅锂电池原型的剖面图 *

Enovix成立于2007年,启动资金来源于硅谷的几家风险投资公司。该公司的第一个项目是,研究是否能用硅代替石墨做可充电锂电池的阳极材料。

2012年,该公司已开始生产比传统锂电池具有更高能量密度的电池,并在英特尔、高通和普拉斯半导体的战略投资下,开始开发低成本、大批量的生产系统。

传统的锂电池设计起源于索尼公司生产磁带的过程:

磁带是在塑料薄膜带基上涂覆磁浆、干燥、切成长条形并卷起而制成。如果将化学浆料涂在金属箔上干燥并切片,就能成电极;

然后,将两个电极片中间夹一层聚合物电解质隔膜,在允许离子刘东宇电极之间的同时不允许电子通过;

最后将整个堆叠而成的结构像寿司卷一样缠绕在一起,这就形成了圆柱形电池的主要部分。

这种设计虽巧妙,但如果要在此基础上进一步提升电池性却十分困难。这种设计很浪费空间,限制了能量密度,还会在材料选择、组装过程中留下安全隐患。

Enovix电池对此做出了重要的改进:第一,使用硅晶圆光刻技术在硅晶圆上制造两极;第二,将传统锂电池的阳极材料石墨换成了多孔硅。

018ednc20170601 *图 | 传统锂电池的内部横截面视图,电池阳极薄片、阴极薄片被聚合物隔膜分开,压平并装入金属外壳中 *

在组装好的传统锂电池中,储存能量的材料仅限于构成阳极(负电极)和阴极(正电极)的颗粒。通常情况下,金属箔集流体,电解质,封装材料以及未利用的空间会占到电池总体积的40%,如此巨大的浪费很大程度上降低了电池的能量密度。

Enovix电池使用了来自芯片行业的硅晶圆光刻技术,在1毫米厚的硅晶圆上制造阴极,阳极和隔膜,这显著地减少了浪费的空间。在这种电池中,75%的电池体积用于储存能量,这比传统电池增加了约25%的电容量。

类似地,对于给定容量的电池,电池重量会成比例地减少。体积通常是电池用于移动设备中更关键的约束。

019ednc20170601 图 | 密集封装:该锂电池结构包括阴极、100%的硅阳极和陶瓷隔膜定向、交错地排列在厚度为1毫米的薄平面上,显著提高了电池能量密度和安全性 来源: Jean-Luc Fortier

将电极集成到硅晶圆上,也会使电池的阴极安全。通常,阴极材料都有不同的工作温度限制,当工作温度超过临界温度,阴极材料就会自动分解,释放出支持燃烧的氧。

如果这个过程持续发生,就可能造成起火或爆炸。而Enovix将阴极分成了成千上万个由硅分离开来的微小部分,硅的导热速度很快,于是降低了由热扩散引起的起火爆炸的可能性。

使用硅作为锂电池阳极也能减少故障发生的几率。通常,离子从锂金属氧化物阴极流到石墨阳极(移动设备中的最普遍使用的阳极材料)的过程中也可能发生意外,而锂离子位于石墨晶体点阵结构的空隙中。

但是,在电流较大、活性阳极材料局部缺或极端低温的情况下,锂离子都有可能迁移到石墨的表面上。因为金属锂倾向于以树枝晶的结构积聚,所以在电池充电和放电的过程中,枝状结晶会生长并最终刺穿隔膜造成短路,这也可能导致起火或爆炸。

而且,传统的锂电池过热会变得不稳定,并可能发生热致失效。

020ednc20170601 图 | 热致失效:磁性记录带生产技术生产的传统锂电池结构,该结构易受热量的影响,可能产生爆炸或起火现象,进一步造成灾难性的后果。1.热量产生;2.保护层破坏;3. 电解液分解成易燃气体;4.隔膜熔化,可能造成短路;5.阴极破坏,产生氧 图片来源:llustration

硅阳极还有另一大优势: 比容量大大地提高。对于传统锂电池而言,电池充电时,石墨阳极会吸收锂离子形成碳化锂(LiC6);电池放电时,锂离子重新回到电解质中,而石墨的理论比容量约为372mAh/g。

如果使用硅作为锂电池阳极,硅能与锂能形成Li22Si5合金,电池的理论比容量就能达到非常大的4200mAh/g。

然而,硅替代石墨后会引入另一麻烦:在硅吸收锂后,硅的体积会迅速膨胀,最多可达原体积的4倍,这会使电池结构的完整性被破坏。

Enovix电池使用多孔硅解决了这一问题:在充放电的过程中,膨胀会使多孔硅材料的孔变得更小,而不至于使整个阳极膨胀,这就使得电池在重复充放电循环期间电池结构的完整性能够得以保持。

这种控制阳极膨胀的能力是Enovix电池系统的关键优势之一,并超越了索尼率先开发的传统锂离子电池结构。相同体积条件下,Enovix电池容量可达传统锂电池容量的1.5-3倍。

平整的电池结构设计还带大幅度提高了安全性。

该电池使用了更好的隔膜。在传统的锂电池中,隔膜通常由塑料或高分子材料制成,因为隔膜材料必须具有足够的柔性,便于卷起。然而,塑料和隔膜在高温下容易失效。然而这种平面设计允许电池采用陶瓷作为隔膜,增加了耐热性,降低了失效的风险。

实验表明,上述的重要改进不仅提高了锂电池的容量,也基本上就消除了爆炸和起火的危险。

Enovix做了一个测试:将一个容量130mAh的传统锂电池和一个由他们制造的100mAh的硅锂电池过度充电到各自容量的250%,然后进行标准的针刺测试。最终传统的锂离子电池着火,而硅锂离子电池却没有起火。

Enovix的另一个实验表明,相同条件下,这种新型硅锂电池比传统锂电池具有更高的容量。

021ednc20170601 图 | 位于加利福尼亚州弗里蒙特的Enovix试点厂:标准的太阳能电池制造设备生产的3D硅晶圆 来源:Enovix Corporation

该电池的制造技术大部分来源于芯片制造行业。而光刻和硅晶圆已不是第一次改变世界了。当电脑开始使用集成电路时,这一切该技术就已对技术进步产生深刻影响。

该技术也被用于生产发光二极管、阴极射线管、激光器、视频显示器等许多产品。使用来自计算机芯片制造中的该技术可能会彻底改变整个锂电池行业。

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