?腦洞！鋰硅晶圓鋰電池更安全！

鋰電池廣泛用于現(xiàn)代各種移動(dòng)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?zé)o法比擬的優(yōu)勢。下面就隨電源管理小編一起來了解一下相關(guān)內(nèi)容吧。

然而，傳統(tǒng)鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固有缺陷與制造工藝都會(huì)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(jì)出了當(dāng)前性能最好的鋰電池，制造該電池的技術(shù)有望改變整個(gè)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(jī)、筆記本電腦、汽車等一系列移動(dòng)電子設(shè)備之中，是目前商業(yè)上最搶手的能量存儲(chǔ)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(dòng)設(shè)備。如果沒有鋰電池，也就沒有現(xiàn)代如此先進(jìn)的智能手機(jī)、筆記本電腦，電動(dòng)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(diǎn)：成本仍然很高;高溫下不穩(wěn)定;能會(huì)爆炸或引發(fā)火災(zāi)等。

去年就發(fā)生了一系列與鋰電池燃燒、爆炸有關(guān)的事件：筆記本電腦被燒毀，航班被取消，懸浮滑板在工作時(shí)起火。在美國，去年因?yàn)殇囯姵仄鸹穑钦倩亓藘r(jià)值高達(dá)50億美元的Galaxy Note 7智能手機(jī)，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(gè)月的檢測，三星在今年一月宣布這些故障主要來自于鋰電池的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的鋰電池設(shè)計(jì)起源于特定的歷史背景，但是今天可以我們完全可以利用芯片制造制造工藝提高鋰電池的生產(chǎn)水平。

位于美國加州的Enovix公司已經(jīng)表示，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。

圖 | Enovix硅鋰電池原型的剖面圖

Enovix成立于2007年，啟動(dòng)資金來源于硅谷的幾家風(fēng)險(xiǎn)投資公司。該公司的第一個(gè)項(xiàng)目是，研究是否能用硅代替石墨做可充電鋰電池的陽極材料。

2012年，該公司已開始生產(chǎn)比傳統(tǒng)鋰電池具有更高能量密度的電池，并在英特爾、高通和普拉斯半導(dǎo)體的戰(zhàn)略投資下，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(jì)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、干燥、切成長條形并卷起而制成。如果將化學(xué)漿料涂在金屬箔上干燥并切片，就能成電極;

- 然后，將兩個(gè)電極片中間夾一層聚合物電解質(zhì)隔膜，在允許離子劉東宇電極之間的同時(shí)不允許電子通過;

- 最后將整個(gè)堆疊而成的結(jié)構(gòu)像壽司卷一樣纏繞在一起，這就形成了圓柱形電池的主要部分。

這種設(shè)計(jì)雖巧妙，但如果要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升電池性卻十分困難。這種設(shè)計(jì)很浪費(fèi)空間，限制了能量密度，還會(huì)在材料選擇、組裝過程中留下安全隱患。

Enovix電池對此做出了重要的改進(jìn)：第一，使用硅晶圓光刻技術(shù)在硅晶圓上制造兩極;第二，將傳統(tǒng)鋰電池的陽極材料石墨換成了多孔硅。

圖 | 傳統(tǒng)鋰電池的內(nèi)部橫截面視圖，電池陽極薄片、陰極薄片被聚合物隔膜分開，壓平并裝入金屬外殼中

在組裝好的傳統(tǒng)鋰電池中，儲(chǔ)存能量的材料僅限于構(gòu)成陽極(負(fù)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)，封裝材料以及未利用的空間會(huì)占到電池總體積的40%，如此巨大的浪費(fèi)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(fèi)的空間。在這種電池中，75%的電池體積用于儲(chǔ)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(huì)成比例地減少。體積通常是電池用于移動(dòng)設(shè)備中更關(guān)鍵的約束。

圖 | 密集封裝：該鋰電池結(jié)構(gòu)包括陰極、100%的硅陽極和陶瓷隔膜定向、交錯(cuò)地排列在厚度為1毫米的薄平面上，顯著提高了電池能量密度和安全性 來源： Jean-Luc Fortier

將電極集成到硅晶圓上，也會(huì)使電池的陰極安全。通常，陰極材料都有不同的工作溫度限制，當(dāng)工作溫度超過臨界溫度，陰極材料就會(huì)自動(dòng)分解，釋放出支持燃燒的氧。

如果這個(gè)過程持續(xù)發(fā)生，就可能造成起火或爆炸。而Enovix將陰極分成了成千上萬個(gè)由硅分離開來的微小部分，硅的導(dǎo)熱速度很快，于是降低了由熱擴(kuò)散引起的起火爆炸的可能性。

使用硅作為鋰電池陽極也能減少故障發(fā)生的幾率。通常，離子從鋰金屬氧化物陰極流到石墨陽極(移動(dòng)設(shè)備中的最普遍使用的陽極材料)的過程中也可能發(fā)生意外，而鋰離子位于石墨晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的空隙中。

但是，在電流較大、活性陽極材料局部缺或極端低溫的情況下，鋰離子都有可能遷移到石墨的表面上。因?yàn)榻饘黉噧A向于以樹枝晶的結(jié)構(gòu)積聚，所以在電池充電和放電的過程中，枝狀結(jié)晶會(huì)生長并最終刺穿隔膜造成短路，這也可能導(dǎo)致起火或爆炸。

而且，傳統(tǒng)的鋰電池過熱會(huì)變得不穩(wěn)定，并可能發(fā)生熱致失效。

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(jìn)一步造成災(zāi)難性的后果。1.熱量產(chǎn)生;2.保護(hù)層破壞;3. 電解液分解成易燃?xì)怏w;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(shí)，石墨陽極會(huì)吸收鋰離子形成碳化鋰(LiC6);電池放電時(shí)，鋰離子重新回到電解質(zhì)中，而石墨的理論比容量約為372mAh/g。

如果使用硅作為鋰電池陽極，硅能與鋰能形成Li22Si5合金，電池的理論比容量就能達(dá)到非常大的4200mAh/g。

然而，硅替代石墨后會(huì)引入另一麻煩：在硅吸收鋰后，硅的體積會(huì)迅速膨脹，最多可達(dá)原體積的4倍，這會(huì)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(huì)使多孔硅材料的孔變得更小，而不至于使整個(gè)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，并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(dá)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(jì)還帶大幅度提高了安全性。

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?yàn)楦裟げ牧媳仨毦哂凶銐虻娜嵝?，便于卷起。然而，塑料和隔膜在高溫下容易失效。然而這種平面設(shè)計(jì)允許電池采用陶瓷作為隔膜，增加了耐熱性，降低了失效的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)表明，上述的重要改進(jìn)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(xiǎn)。

Enovix做了一個(gè)測試：將一個(gè)容量130mAh的傳統(tǒng)鋰電池和一個(gè)由他們制造的100mAh的硅鋰電池過度充電到各自容量的250%，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的針刺測試。最終傳統(tǒng)的鋰離子電池著火，而硅鋰離子電池卻沒有起火。

Enovix的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)廠：標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池制造設(shè)備生產(chǎn)的3D硅晶圓 來源：Enovix Corporation

該電池的制造技術(shù)大部分來源于芯片制造行業(yè)。而光刻和硅晶圓已不是第一次改變世界了。當(dāng)電腦開始使用集成電路時(shí)，這一切該技術(shù)就已對技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生深刻影響。

該技術(shù)也被用于生產(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(jì)算機(jī)芯片制造中的該技術(shù)可能會(huì)徹底改變整個(gè)鋰電池行業(yè)。

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