兩年前，馬斯克有一個預測：電池能量密度在2023-2024年之間就能提升至400kw/kg。 這個預測在當時看來挺大膽的，但是今天，它卻顯得有些保守。
2月16日，由斯坦福大學華人教授崔屹創立的美國Amprius公司宣布，将會出貨第一批商業化的450Wh/kg锂離子電池單元 ，可以确定這就是目前“世界最高密度”的商業化電池單元，将被用在新一代的高空僞衛星（HAPS）之上。
先說公司，Amprius是新型锂電池材料和锂電池的開發和制造商，擁有先進的儲能材料和電化學技術，在矽負電極技術和正極技術領域處于全球領先地位。這次推出的全新電池，是世界上第一個實作了100%矽納米線負極的锂離子電池，直接替代了常見的石墨負極材料，單電芯能量密度可以達到450Wh/kg。
矽負極是目前锂電池技術發展的主流方向，像我們國内也有不少電子産品、動力電池、整車生産商在研究矽負極技術，例如小米、廣汽埃安、甯德時代、國軒高科等等。
之前廣汽埃安和小米都釋出了矽負極技術，但是似乎兩個方案看起來不一樣，一個說自己用的是海綿矽負極，一個說自己用的是納米級矽氧化合物，如果對矽負極了解更多的化，你可能還聽過矽納米線、矽納米管、碳化矽納米線等等……
一、什麼是矽負極？有什麼作用。
首先負極在電池裡面充當的角色，锂電池要實作充放電，實際上是電子的嵌入和脫出的過程，負極材料負責在充電過程中起儲锂作用，其脫嵌锂電壓和比容量對電池能量密度影響較大。優異的負極材料需同時具備低的脫嵌锂電壓、高的比容量以及良好的倍率特征和循環性能。
目前市面上主流锂電池的負極都是采用石墨材料，因為石墨微觀下具有層狀結構，性能穩定，而且實際比容量密度可以與理論比容量相接近。但想要提升電池密度，石墨材料就有明顯的局限性。問題是在石墨負極中，存儲一個锂離子需要６個碳原子，而每個矽原子卻可與４個锂離子結合，可以看出，相同體積的矽負極材料儲存的電荷量是石墨負極的10倍，換言之，矽負極能讓電池的能量密度直接提高一個數量級，這也是為什麼Amprius可以直接量産出能量密度達到450wh/kg的電池的關鍵。
廣汽研究院進階工程師梅骜說過：“通過對電池能量密度做測算和分析，對于高鎳三元材料來說，隻有跟更先進的矽碳負極結合起來的時候，才能取得高能量密度的優勢”。雖然電池負極應用矽大有好處，但是也并不是想用就能直接用的。因為矽自身容易膨脹的特性，導緻它在嵌锂時自身體積會發生400%上下的變化，每次充電時電解質與負極之間的界面層會破碎，進而不斷消耗電池内部的锂離子，影響電池壽命。
為了利用好“矽”，各大研究機構、高校、企業都給出了各自不同的方案，也就是為什麼我們看到了都是矽負極，卻有這麼多不同的說法。形式和方法可能不同但主要目的都是一樣：減少矽膨脹。
二、矽是怎麼應用到電池負極的呢？
1）矽納米線：
Amprius這款能量密度達到450wh/kg的電池，所采用的矽負極就是矽納米線。相信特斯拉粉絲對這個名字是不是比較熟悉？馬斯克在2019年特斯拉電池日上提到過。這是一種能有效提高矽負極循環穩定性的納米結構，它可以通過橫向膨脹來很好地釋放應力，避免納米線龜裂或者破損，防止電極發生粉末化。矽納米線不需要粘結劑就可以把矽粘附在電極上，而且納米線是生長在負極集流體上的，還能夠增強導電性。
一些學者的研究報告顯示，矽納米線的放電比容量高達3400mAh/g，而且前十次的充放電循環表現穩定。在大部分文獻上我們能看到很多關于矽納米線的優勢，這項技術似乎大有前景，但是因為它的制備過程複雜，目前量産成本還是過高，消費市場難以接受。另外，盡管納米線結構可以阻止矽碎片從電極上脫落，但是不能阻止它發生體積膨脹，是以SEI在循環過程中，依然會不斷破碎再生成，進而消耗大量锂離子，最終形成很厚的一層SEI膜，阻礙锂離子傳輸。
Amprius最新量産的矽納米線電池，采用了控制導線長短的辦法降低了SEI膜破碎頻率，一定程度上提升了電池壽命。但是未來如果特斯拉也采用了矽納米線技術，不知道電池壽命會如何，畢竟汽車對電池的要求是長時間高頻次的充放，講到這裡，我還是相當期待馬老師新品釋出的。
2）矽納米顆粒：
小米在電池的負極添加了納米級的矽氧化合物，這實際上與矽納米線一樣也屬于納米級矽的應用。因為矽顆粒尺寸的大小對電池性能下降的速度有巨大的影響，一般來說，與粒徑較大的顆粒相比，粒徑較小的顆粒的電化學性能更加穩定。我在文獻中也看到相關的說明，納米顆粒的尺寸越小結構越穩定，這是因為體積膨脹過程中的機械應力減小的原因。有研究表明，當結構尺寸小于臨界值，也就是納米矽顆粒直徑小于150nm時，在體積膨脹範圍内便不會出現破裂。
去年小米釋出的小米11 ultra，就是因為這個技術，實作了在一台這麼薄的手機裡放下一個高達5000mAh的電池，而對手華為Mate40 Pro電池容量隻有4400mAh。遺憾的是，小米并未具體公布所使用的納米結構。
3）多孔矽結構：
去年底，廣汽埃安釋出了AION LX PLUS的長續航版本，這麼大一台SUV，續航直接幹到1008km，但電池組總品質才690kg，電池組總能量為144.4kWh，能量比重很出色。這個電池正是應用了矽負極，埃安還給它起了個更形象的名字——海綿矽負極。
埃安公布的資料顯示，海綿矽負極片能像海綿一樣柔軟有彈性，使矽在充放電過程中的膨脹和收縮被限制和緩沖，不會碎裂；并讓矽負極片可如同海綿吸水一般儲存更多能量。從這個描述來分析，我認為埃安很有可能是采用了多孔矽結構。納米多孔矽是一種擁有極高比表面積的矽納米顆粒，可以有效緩沖嵌入、脫出锂離子的時候所産生的膨脹。同時多孔結構可以提供大面積矽與電解液接觸界面，促進锂離子快速傳輸，提升導電性。
早在2018年，荷蘭科技公司 RGS 最早推出了 E-magy 納米多孔矽，這種多孔海綿狀材料為矽提供了膨脹、但不破裂所需的空間。它在電池充電循環期間吸收锂離子，原理類似于海綿吸水，進而可以防止矽材料發生膨脹，同時使電池容量增加三倍或以上。
4）其它車企
蔚來也将在2022年傳遞的150kWh電池包，目前官方資訊顯示，其負極采用了“無機預锂化矽碳負極技術”，單體能量密度達350Wh/kg。
智己汽車也會采用甯德時代的矽負極電池，和小米類似，甯德時代也采用了“摻矽補锂”的方式，提升負極矽的含量，實作300Wh/kg的單體能量密度，據稱這個電池會在未來幾年陸續推向市場。
除了三元锂電池采用矽負極外，國軒高科稱通過“高克容量矽負極材料和先進的預锂化技術”，也能将磷酸鐵锂電池能量密度拔高到210Wh/kg。
說到這裡很多人可能在想，比亞迪會不會也給刀片電池用上矽負極呢？不久前，比亞迪旗下電池公司“弗迪電池”的相關負責人透露：“比亞迪在使用矽基材料作為固态電池的負極時，能量密度預計能達到400Wh/kg”。也就是說，比亞迪也在研發矽負極電池，但是是用于固态電池，隻不過固态電池離量産還有很長一段時間。
三、矽負極電池壽命需要關注
技術研發和量産是廠家考慮的問題，作為消費者，我關心的是矽負極電池的壽命問題，與電子産品不同，汽車用的動力電池需要電池持續使用十年以上，對長期穩定性和多次循環耐久性提出嚴苛要求。在整車行業，主機廠要求動力電芯循環在1000次以上，但目前多數企業MCN811+矽基負極隻能達到400~500次循環，有部分電池生産廠商充放循環可以滿足要求，卻在SOC和品質表現上仍然差強人意。簡單來說，就是首批裝載矽負極锂電池的車，大家可得悠着點，看好廠家的電池質保政策。
後記：如何在有限的空間能儲存更多的電能，對于新能源電動車來說是一個關鍵的發展問題，而矽負極作為理想的新材料來使用，剛剛邁出了第一步，我們需要做的，是給技術發展一點時間。當然，改善新能源汽車續航問題的方向，除了提升電池能量密度以外，快充和換電也同樣重要，後續我也會和大家分享更多新技術，記得關注。