由于硅材料的工作電壓、容量利用率、電極容量匹配和電極密度等方面的原因，其改進(jìn)可能略低于預(yù)期，但仍有潛力顯著提高電池的能量密度。

據(jù)介紹，硅是上個(gè)世紀(jì)最重要的材料之一，它推動(dòng)了數(shù)字革命，以及個(gè)人電腦、筆記本電腦和智能手機(jī)的誕生。即使對(duì)于近期爆發(fā)的新冠病毒疫情（Covid-19）危機(jī)，硅的價(jià)值也是顯而易見(jiàn)的，它使許多公司、業(yè)務(wù)和個(gè)人通過(guò)智能設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)保持生產(chǎn)力。盡管Covid-19危機(jī)是目前全人類的當(dāng)務(wù)之急，但氣候變化帶來(lái)的長(zhǎng)期影響可能更具破壞性。硅是數(shù)字革命的關(guān)鍵，現(xiàn)在，它又開始在鋰離子電池領(lǐng)域展現(xiàn)應(yīng)用潛力，而鋰離子電池是解決長(zhǎng)期氣候變化危機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

將電池技術(shù)與硅晶體管所推動(dòng)的數(shù)字革命相提并論或許有些夸大，但它們無(wú)疑是現(xiàn)代社會(huì)降低碳排放的核心技術(shù)之一。根據(jù)歐洲環(huán)境署（European Environment Agency）的數(shù)據(jù)，該地區(qū)的公路交通和運(yùn)輸占據(jù)了歐盟二氧化碳排放量的30%。在大多數(shù)情況下，純電動(dòng)汽車（BEV）是目前最適合降低這些碳排放的方案（暫不討論氫能源、燃料電池以及生物燃料等）。

英國(guó)知名研究機(jī)構(gòu)IDTechEx在其出版的《電動(dòng)汽車-2020版》研究報(bào)告中總覽了電動(dòng)汽車市場(chǎng)，覆蓋了鋰離子電池可能不是最佳選擇的細(xì)分車輛市場(chǎng)。盡管純電動(dòng)汽車是替代燃油引擎車輛（ICE）的理想方案，但它的前期成本仍然很高，且在續(xù)航里程和續(xù)航時(shí)間方面仍難以與燃油車競(jìng)爭(zhēng)。

不斷增長(zhǎng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)、制造創(chuàng)新和垂直整合，將有助于推動(dòng)電池價(jià)格的進(jìn)一步下降，但進(jìn)一步改善電池性能需要新材料和技術(shù)創(chuàng)新。IDTechEx最新發(fā)布的《鋰離子電池技術(shù)及市場(chǎng)-2020版》報(bào)告，對(duì)該市場(chǎng)的所有主要趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的深入分析，包括硅在其中所扮演的角色。

目前，大多數(shù)純電動(dòng)汽車使用的是石墨負(fù)極（可能含有少量硅材料作為添加劑），有機(jī)液體電解質(zhì)，以及采用鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）或鋰鎳鈷鋁氧化物（NCA）（特斯拉）的正極。目前采用這些材料的市場(chǎng)領(lǐng)先電池可以達(dá)到600~700 Wh/l的能量密度，可在大約40分鐘內(nèi)（適宜的溫度條件）充到容量的80%，并且可以循環(huán)充放電大約2000次。這些電池可以使純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程超過(guò)320公里，充滿電的時(shí)間約為1小時(shí)，電池壽命可達(dá)10年以上。對(duì)于早期用戶來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，但對(duì)于大眾市場(chǎng)來(lái)說(shuō)可能還不夠。更大的續(xù)航里程和更快的充電時(shí)間將在很大程度上解決這一問(wèn)題。

硅在這兩個(gè)方面都可以發(fā)揮作用。首先，理論上每個(gè)硅原子可以與3.75個(gè)鋰離子結(jié)合，而相比之下，6個(gè)碳原子僅能與1個(gè)鋰離子結(jié)合。這使硅材料的理論容量達(dá)到了石墨的10倍。

典型電芯能量密度隨著負(fù)極中硅含量的增加而增加

由于硅材料的工作電壓、容量利用率、電極容量匹配和電極密度等方面的原因，其改進(jìn)可能略低于預(yù)期，但仍有潛力顯著提高電池的能量密度。然而，通過(guò)添加硅材料來(lái)改進(jìn)鋰離子電池并不簡(jiǎn)單。這種材料受到一個(gè)主要問(wèn)題的困擾：硅在鋰離子嵌入脫嵌過(guò)程中，體積會(huì)膨脹100%~300%。這會(huì)導(dǎo)致在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)材料結(jié)構(gòu)造成破壞，共同降低了電極的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性。幸運(yùn)的是，通過(guò)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛研發(fā)努力，緩解這些問(wèn)題的各種解決方案已經(jīng)接近商業(yè)化。

穩(wěn)定硅循環(huán)的解決方案之一包括使用高度多孔材料。這為硅的膨脹提供了空間，同時(shí)也能改善快速充電能力和低溫工作性能，這對(duì)純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)是非常重要的指標(biāo)。然而，多孔材料也給電解液的穩(wěn)定性帶來(lái)了問(wèn)題，不過(guò)，新的問(wèn)題也意味著新的機(jī)遇。數(shù)十家公司正尋求將硅主導(dǎo)的負(fù)極材料商業(yè)化，它們各自采取了不同的路線來(lái)穩(wěn)定這種材料。硅的巨大前景以及鋰離子市場(chǎng)的巨大增長(zhǎng)潛力，幫助硅負(fù)極初創(chuàng)企業(yè)已獲得超過(guò)7.5億美元的融資。

對(duì)硅負(fù)極初創(chuàng)公司的大量投資，側(cè)面證明了硅在鋰離子電池領(lǐng)域的吸引力

簡(jiǎn)而言之，硅不僅可以提高鋰離子電池的能量密度，而且可以提高電池的快速充電速度，有助于實(shí)現(xiàn)更清潔、更安靜且更環(huán)保的交通出行。其主要的障礙是體積極具擴(kuò)張/收縮而導(dǎo)致的問(wèn)題，很多廠商已經(jīng)投入了大量資金來(lái)解決這些問(wèn)題，因此這些廠商不得不需要盡快開始轉(zhuǎn)化為營(yíng)收。為此，一些廠商正積極瞄準(zhǔn)那些能夠比汽車行業(yè)更快利用其解決方案的應(yīng)用。

消費(fèi)類設(shè)備和電動(dòng)工具就是很好的目標(biāo)領(lǐng)域，對(duì)于這些應(yīng)用，IDTechEx相信硅負(fù)極材料很可能已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)入市場(chǎng)。此外，這些廠商還必須證明這種新型硅材料和負(fù)極制造的經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性。對(duì)于純電動(dòng)汽車，可以理解的是，認(rèn)證時(shí)間和開發(fā)周期會(huì)更長(zhǎng)。IDTechEx預(yù)測(cè)，直到2020年代末，采用硅負(fù)極的鋰離子電池才會(huì)在市場(chǎng)上占據(jù)顯著份額。

IDTechEx在最新的《鋰離子電池技術(shù)及市場(chǎng)-2020版》報(bào)告中對(duì)硅負(fù)極、相關(guān)廠商以及潛在市場(chǎng)進(jìn)行了更深入的分析，并對(duì)鋰離子電池市場(chǎng)及其廣泛技術(shù)進(jìn)行了全面概述。此外，IDTechEx還針對(duì)儲(chǔ)能市場(chǎng)提供了分析和見(jiàn)解。
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