全新陽極材料將使電池的儲電能力更強。

曾幾何時，早期發(fā)明家們得到的建議是制作更好的實用工具，比如捕鼠器，而現(xiàn)在，他們已經可以制作更好的鋰電池了。鋰電池可以為手機、筆記本電腦、便攜式電動工具、汽車，甚至是整個家庭供電。有些行業(yè)正在嘗試使用巨型鋰電池來儲存太陽能電池板中的能量，以便在天黑后使用。鋰離子電池這些年來發(fā)展得越來越好，在鋰離子電池中使用電子行業(yè)并不陌生的元素——硅，則有望使電池的性能在2019年大幅提升。

硅之所以能夠提升鋰電池性能，原因在于一些基本的電化學原理。在充電期間，鋰離子從正極（即陰極）向負極（即陽極）移動；放電時，鋰離子往相反的方向移動，即從陽極到陰極。因此，這種電池充電相當于在陽極中儲存鋰。如果電池可以存儲更多鋰，它就能儲存更多能量。

在智能手機、筆記本電腦和大部分電動汽車所使用的普通鋰離子電池中，負極由石墨（碳的一種存在形式）制成，鋰以LiC6的形式存儲在電極中，其中每個鋰原子被6個碳原子包圍。

多年來，電池開發(fā)人員一直在嘗試用硅來代替負極中的碳，因為鋰離子可以與硅結合形成Li15Si4。15:4的比例意味著可以用更少的負極材料儲存更多的鋰。因此，硅負極的容量更大。

問題是，在充電的過程中，硅與鋰的反應會使硅的體積產生近300%的膨脹；放電過程也是如此。重復的充放電循環(huán)會導致材料衰變，進而使負極的表面積更大，然后與電解質發(fā)生化學反應，從而損壞電池。因此，含有硅負極材料的電池壽命往往不夠長。

令人高興的是，硅的膨脹問題也不是不能克服?，F(xiàn)在，有些鋰離子電池的負極包含了含硅顆粒，這些顆粒與二氧化硅（也就是沙子的主要物質）結合在一起并有一層碳涂層。2016年，埃隆?馬斯克透露，特斯拉的鋰電池就是通過這種方式制造的。不過，目前負極中的硅含量很少。

預計這一情況將在2019年發(fā)生變化。首先，位于加州的初創(chuàng)公司——Sila納米技術公司計劃將富硅的負極材料商業(yè)化。公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼佐治亞理工學院教授格萊布?友信（Gleb Yushin）表示，Sila公司為現(xiàn)有的電池制造商開發(fā)了一種“嵌入式解決方案”，預計將于2019年投入商業(yè)生產。

使用這種負極材料一開始可將電池容量提高約20%，最終將提高40%甚至更高，具體取決于應用情況。此外，友信解釋說，它可以使負極的厚度降低67%，有可能使電池充電的速度提高到原來的9倍，他還表示，這也會使電池的安全性更高，因為它可以抑制線狀金屬枝晶的形成，線狀金屬枝晶會導致電池內部短路，甚至引起爆炸和著火。

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友信表示，公司的新型負極材料的顆粒與現(xiàn)在用于負極的石墨顆粒差不多大小，但硅位于多孔支架內，這為硅提供了膨脹和收縮的空間，而不會與電解質接觸。因此用這種富硅負極材料制成的電池可較好地實現(xiàn)400到1000次完全充放電循環(huán)，對于大多數(shù)應用來說都已足夠?！凹词故请妱悠?，電池的循環(huán)次數(shù)通常也不需要超過1000次?！庇研耪f。

這種特點引起了德國寶馬汽車公司的興趣。寶馬正在與Sila公司合作，探索采用新型負極材料制造的鋰離子電池是否可用于其電動汽車。不過，友信說：“最早應用的產品將是可穿戴設備?！币驗閷纱┐髟O備而言，電池成本不是關鍵因素，所需的負極材料數(shù)量會比較少，因此Sila公司能夠輕松地滿足需求。友信期望2019年能有數(shù)百萬臺設備用上采用Sila負極材料的鋰離子電池。

除了Sila，今年可能還會有其他公司推出硅電池技術。另一家位于加州的公司Enovix有望推出一種完全由硅和氧化硅制成的負極材料。

2017年，Enovix的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術官阿肖克?拉希里（Ashok Lahiri）和他的兩位同事曾詳細介紹了該公司的電池技術。當時，Enovix計劃借用半導體行業(yè)的制造技術，使用薄薄的太陽能級硅晶片來制造電池，但該公司在研究了如何將電池技術應用于更大的車用鋰電池后，又重新考慮了這一策略?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)太陽能級基板無法大規(guī)模使用?！崩＠镎f。

因此，Enovix改進了方法，現(xiàn)在使用金屬箔代替硅晶片作為其電池的基板，電池的整體幾何形狀保持不變。拉希里說，不同之處主要在于構造，在于組件的堆疊方式。他解釋說，將負極堆棧保持在高壓下可抑制充電過程中的膨脹，并且完全可以只采用硅和氧化硅來制造負極。

“我們的電池容量將提高30%到70%，具體取決于應用情況?！崩＠镎f。如果是這樣，那么Sila也可以生產出將電池容量提高兩位數(shù)的負極材料，不出意外的話，它將真正改變電池行業(yè)，因為這個行業(yè)正如拉希里所說：“哪怕電池容量只提高5%或10%，人們也會爭相使用?！?/p>