不到 10 分钟充电 98%,解密 Enovix 公司的 3D 结构硅基电池

释放双眼,带上耳机,听听看~!
硅负极锂电池,迎来一则最新进展:美国电池制造商 Enovix,在一块 0.27Ah 的硅负极动力电池单元上,成功实现 0-80% 充电只用 5.2 分钟;0-98% 充电在 10 分钟以下的 6C 快充。比美国先进电池联盟(USABC)目前快充目标减少近 2/3

硅负极锂电池,迎来一则最新进展:

美国电池制造商 Enovix,在一块 0.27Ah 的硅负极动力电池单元上,成功实现 0-80% 充电只用 5.2 分钟;0-98% 充电在 10 分钟以下的 6C 快充。

比美国先进电池联盟(USABC)目前快充目标减少近 2/3。而且,这个数据还是在保证电池寿命的前提下实现的,官方循环寿命数据:

1000 次循环后电池容量还能保持在 93%,而目前主流的三元锂电池 1000 次循环后,容量只能剩下 80% 左右。

在理论上证明了硅负极锂电池,快充和电池循环兼得的可行性。而这背后的技术,正是 Enovix 的看家专利:3D Silicon 电池结构

兼顾使用寿命和速度,如何做到?

Enovix 在官方的新闻稿中给出 2 大关键信息:

硅负极材料,以及 Enovix 的独家专利:3D Silicon 电池结构。

先说硅负极材料

众所周知的是,相比目前主流的石墨负极材料,硅基负极材料有 2 大优势:

首先,单位容量高,数据显示,采用硅作为负极材料的锂电池,理论容量可以达到 4200mAh / g,相比之下,目前主流的锂电池单位容量则为 365mAh / g,两者差距在 10 倍以上。

用“电池容量 = 单位能量密度 × 体积 / 质量”的公式简单推导,意味着硅基电池的能量密度也可以达到石墨负极材料的 10 倍以上。

其次,也是经济和环境方面的优势,硅材料在地球的矿物储量中极为丰富,而且本身对环境更为友好。

最后,石墨负极锂电池在充放电过程中,会因为锂电镀过程而形成枝晶,从而可能穿透隔膜引起短路等安全问题,这也是影响锂电池充电速度的重要因素,而硅元素则可以抑制枝晶的生长,从而在充电速度上形成优势。

基于以上优势,硅负极电池也被看作未来锂电池的发展方向。

“未来”,代表趋势,也代表还有未解决的问题,具体到硅负极电池而言,想要成功在电动车领域商业化,还要扫除 1 个最重要的障碍:

首先,充电膨胀问题,数据显示,硅嵌锂形成硅锂合金化合物的过程中,体积膨胀可以达到 300%-400%,远远高于石墨负极材料电池。

这种特性有 2 个隐患:硅负极电池在充电过程中会导致硅材料和导电剂脱离,导电性降低,结果是电池容量快速衰减,降低循环寿命;

巨大的膨胀变化会使电极膜变大开裂,最终使活性材料从集流体上脱落,导致电池内阻增加,发热量加大,带来严重的电池安全问题

所以综合来看,硅负极材料优势很明显,电池容量和能量密度有巨大优势,但劣势同样明显:寿命短

这两个问题,从当下纯电动车动力电池的需求角度看,几乎就是原罪。Enovix 如何解决?

这里就要讲到第二个关键点:3D Silicon 电池结构

先说传统的缠绕式电池结构,是将电池正负极以及隔膜叠加起来,然后像卷纸一样卷起来,差不多就是下面的样子:

传统结构的缺点在于,为了避免电池内部出现短路,一般会将隔膜做的比正负极更宽,浪费了储能的空间。

而 3D Silicon 电池结构,是这样的:

根据官方信息,这种结构设计参考了芯片的制造工艺

具体来看,就是用一块 1 毫米厚的硅片来做电池,用光刻的方式在硅片上制造凹槽,然后在凹槽中用电镀的方式镀上电池的导电层,然后在凹槽中再填充正极材料和隔膜。

官方数据显示,这种结构,能将储能物质的空间利用率提升至 75%,可以在单位容量上减小电池体积。

除了容积的提升,这种电池结构更大的优势在于,在保证高能量密度和快充速率的基础上,提升了硅负极电池的循环次数和使用安全

而这方面,Enovix 并未透露,但我们在查阅 Enovix 相关的论文和专利时,发现了 2 个关键点:

一方面,是微观层面,3D Silicon 电池在硅板上蚀刻凹槽的时候,会提前为硅负极预埋空隙,用于解决硅嵌锂过程中膨胀可以内部消化,而不至于挤压电池空间,形成短路。

另一方面,3D Silicon 电池还用到了一种叫做 BrakeFlow 的技术,来抑制电池在发生短路的情况下热失控。

具体来说,就是在多个电池板叠加的情况下,在连接每个单元的母线设定一个固定的电阻,这样在内部短路的情况下,就可以通过 BrakeFlow 调节通过短路处的电流,限制让短路区域过热出现热失控的情况。

但这个 BrakeFlow 的发生机制和背后原理,Enovix 官方并未透露。

最后一个问题,基于硅负极材料和独特的电池结构设计,硅负极电池具体表现怎么样?

Enovix 放出了实验结果:

基于一块 0.27Ah 的电池单元,在 4.2–2.5V 电压,6C 充电倍率(电池容量的 6 倍)的情况下,实现了 0-80% 充电时间 5.2 分钟,98% 电量以上的充电时间保持在 10 分钟以内。

同时,能够在 1000 次以上循环充电后,依然保持 93% 的电池容量,性能远远高于目前主流三元锂电池 1000 次循环后容量 80% 左右的数据。

当然,这只是在 0.27Ah 小电池单元上实现的实验数据,最终能否成功商业化,还是个未知数。

不过从官方的业务中可以看出,采用同样结构的硅负极锂电池,已经在 3C 消费领域得到商业应用,据悉其产品能量密度可以达到 900Wh / L。

而根据 Enovix 此前的规划,进军电动车动力电池领域,定在了 2023-2024 年。

Enovix 是谁?

说完技术,背后的 Enovix 需要关注和起底。

官方信息显示,Enovix 是一家美国电池制造商,成立于 2007 年,总部位于加州。核心创始团队有 3 人,有意思的是,这 3 人在创立 Enovix 之前,没有一个人的背景与电池有关,反倒是供职于同一家公司:

FormFactor,一家半导体产品的制造商

现在也能够理解,Enovix 为什么会用造芯片的思路造电池了吧。

其中,联合创始人兼 CEO 哈罗德-拉斯特(Harrold Rust),曾在斯坦福大学获得机械工程硕士学位,是 Enovix 的商业掌舵人,在 FormFactor 之前,曾在 IBM 供职,领导 IBM 在亚洲、中美洲和欧洲的全球磁盘驱动头业务的财务计划责任。

联合创始人兼 CTO 阿肖克-拉希里(Ashok Lahiri),是 Enovix 的技术核心,Enovix 3D 电池结构相关的大多数专利,都有他的参与。

而且需要注意的是,拉希里在 FormFactor 供职期间,主要的任务,就是优化芯片硅基板的结构,这也为其后来开发 3D 电池结构打下基础。

联合创始人兼副总裁穆拉里-拉马苏布拉姆尼安(Murali Ramasubramanian),曾经在 FormFactor 负责新材料和结构的研究开发,曾经主导了 FormFactor 半导体晶圆测试的三维 MEMS 接触技术研发。

商业模式方面,Enovix 在电池领域最先打入的赛道是小型电子设备,包括可穿戴设备以及 3C 消费电子等。

而以可穿戴设备作为突破点的原因,据官方招股书披露,是基于成本的考量,可穿戴设备行业对电池成本不那么敏感,但对于能量密度要求更高,这也契合硅负极电池的优势。

截止到目前,Enovix 成品电池的能量密度已经可以达到 900Wh / L,同时已经通过深度循环 500 次的测试。

对于后续的规划,因为消费类电子的市场规模远不足电动车市场,Enovix 计划通过 3D 电池结构技术,在 2023=2024 年进入动力电池领域,目前已经在相关业务上与三菱汽车达到合作。

融资进展上,截止到 2020 年初,Enovix 已经进行了 6 轮累计近 2 亿美元的融资

  • 2007 年 3 月,A 轮融资 230 万美元,投资方为 DCM Ventures;

  • 2008 年 9 月,B 轮融资 1200 万美元,投资方为 Trinity Ventures;

  • 2012 年 3 月,C 轮融资 1500 万美元,投资方为 DCM Ventures 和 Sofinnova Investments;

  • 2016 年 4 月,D 轮融资 1 亿美元,由英特尔领投,Qualcomm,Cypress 赛普拉斯半导体跟投;

  • 2018 年 8 月,获得 1700 万美元风投资金,投资方不详;

  • 2020 年 3 月,获得 E 轮融资 4500 万美元,由赛普拉斯半导体创始人 T・J・Rodgers 个人投资。

从投资人来看,Enovix 有英特尔这样的巨头,也有赛普拉斯这样的半导体公司,但唯独没有主机厂的投资

2021 年 2 月,Enovix 通过 SPAC 合并借壳上市,融资金额 4.05 亿美元,估值 11 亿美元。截止到上周五,Enovix 股价报 11.12 美元 / 股,市值达到 17.44 亿美元。

国内硅负极电池有啥进展?

目光再说回国内,硅负极电池研发,现在什么景象?

就目前来说,硅负极电池已经成为电池制造商和主机厂重点发力的领域,但从技术路线来说,国内主要是在材料进行突破,而不是电池结构。

以广汽的海绵硅负极片电池技术为代表,分别是在电极材料、粘合剂和修复技术上入手,具体来看:

首先是通过纳米复合硅技术,将硅材料控制在纳米尺度,并在表面覆盖保护层用以控制微观状态,同时避免硅元素与电解液的直接接触,从而控制充放电过程中的体积膨胀。

其次是在极片连接上采用具有自修复功能的粘合剂技术,让破损的硅负极可以在膨胀收缩过程中得以自我修补,保证电极结构稳定性。

最后是梯度复合涂布技术,通过硅负极极片活性组分与非活性缓冲组分的梯度分布设计,大幅提升了活性层与集流体的结合力,改善了负极极片本体的结构稳定性。

除此之外,商业化方面,则是以贝特瑞、国轩高科等电池产业链玩家走在前面。

其中贝特瑞已经在 2013 年实现硅负极材料的商业化,是国内最早量产硅负极材料的企业之一,就在不久前,贝特瑞还在深圳投资建设了年产 4 万吨的硅负极材料生产线。

国轩高科则是在 2016 年投建 5000 吨硅基材料项目,并在去年年初发布 210Wh/kg软包磷酸铁锂电芯,宣布首次在磷酸铁锂化学体系中成功应用硅负极材料。

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