不到10分鐘充電98%，這家公司的3D結構硅基電池到底是啥技術？

萬博 發自 副駕寺

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硅負極鋰電池，迎來一則最新進展：

美國電池制造商Enovix，在一塊0.27Ah的硅負極動力電池單元上，成功實現0-80%充電只用5.2分鐘；0-98%充電在10分鐘以下的6C快充。

比美國先進電池聯盟（USABC）目前快充目標減少近2/3。

而且，這個數據還是在保證電池壽命的前提下實現的，官方循環壽命數據：

1000次循環后電池容量還能保持在93%，而目前主流的三元鋰電池1000次循環后，容量只能剩下80%左右。

在理論上證明了硅負極鋰電池，快充和電池循環兼得的可行性。

而這背后的技術，正是Enovix的看家專利：3D Silicon電池結構。

兼顧使用壽命和速度，如何做到？

Enovix在官方的新聞稿中給出2大關鍵信息：

硅負極材料，以及Enovix的獨家專利：3D Silicon電池結構。

先說硅負極材料。

眾所周知的是，相比目前主流的石墨負極材料，硅基負極材料有2大優勢：

首先，單位容量高，數據顯示，采用硅作為負極材料的鋰電池，理論容量可以達到4200mAh/g，相比之下，目前主流的鋰電池單位容量則為365mAh/g，兩者差距在10倍以上。

用“電池容量=單位能量密度×體積/質量”的公式簡單推導，意味著硅基電池的能量密度也可以達到石墨負極材料的10倍以上。

其次，也是經濟和環境方面的優勢，硅材料在地球的礦物儲量中極為豐富，而且本身對環境更為友好。

最后，石墨負極鋰電池在充放電過程中，會因為鋰電鍍過程而形成枝晶，從而可能穿透隔膜引起短路等安全問題，這也是影響鋰電池充電速度的重要因素，而硅元素則可以抑制枝晶的生長，從而在充電速度上形成優勢。

基于以上優勢，硅負極電池也被看作未來鋰電池的發展方向。

“未來”，代表趨勢，也代表還有未解決的問題，具體到硅負極電池而言，想要成功在電動車領域商業化，還要掃除1個最重要的障礙：

首先，充電膨脹問題，數據顯示，硅嵌鋰形成硅鋰合金化合物的過程中，體積膨脹可以達到300%-400%，遠遠高于石墨負極材料電池。

這種特性有2個隱患：

硅負極電池在充電過程中會導致硅材料和導電劑脫離，導電性降低，結果是電池容量快速衰減，降低循環壽命；

巨大的膨脹變化會使電極膜變大開裂，最終使活性材料從集流體上脫落，導致電池內阻增加，發熱量加大，帶來嚴重的電池安全問題。

所以綜合來看，硅負極材料優勢很明顯，電池容量和能量密度有巨大優勢，但劣勢同樣明顯：壽命短。

這兩個問題，從當下純電動車動力電池的需求角度看，幾乎就是原罪。

所以，Enovix如何解決？

這里就要講到第二個關鍵點：3D Silicon電池結構。

先說傳統的纏繞式電池結構，是將電池正負極以及隔膜疊加起來，然后像卷紙一樣卷起來，差不多就是下面的樣子：

傳統結構的缺點在于，為了避免電池內部出現短路，一般會將隔膜做的比正負極更寬，浪費了儲能的空間。

而3D Silicon電池結構，是這樣的：

根據官方信息，這種結構設計參考了芯片的制造工藝。

具體來看，就是用一塊1毫米厚的硅片來做電池，用光刻的方式在硅片上制造凹槽，然后在凹槽中用電鍍的方式鍍上電池的導電層，然后在凹槽中再填充正極材料和隔膜。

官方數據顯示，這種結構，能將儲能物質的空間利用率提升至75%，可以在單位容量上減小電池體積。

除了容積的提升，這種電池結構更大的優勢在于，在保證高能量密度和快充速率的基礎上，提升了硅負極電池的循環次數和使用安全。

而這方面，Enovix并未透露，但我們在查閱Enovix相關的論文和專利時，發現了2個關鍵點：

一方面，是微觀層面，3D Silicon電池在硅板上蝕刻凹槽的時候，會提前為硅負極預埋空隙，用于解決硅嵌鋰過程中膨脹可以內部消化，而不至于擠壓電池空間，形成短路。

另一方面，3D Silicon電池還用到了一種叫做BrakeFlow的技術，來抑制電池在發生短路的情況下熱失控。

具體來說，就是在多個電池板疊加的情況下，在連接每個單元的母線設定一個固定的電阻，這樣在內部短路的情況下，就可以通過BrakeFlow調節通過短路處的電流，限制讓短路區域過熱出現熱失控的情況。

但這個BrakeFlow的發生機制和背后原理，Enovix官方并未透露。

最后一個問題，基于硅負極材料和獨特的電池結構設計，硅負極電池具體表現怎么樣？

Enovix放出了實驗結果：

基于一塊0.27Ah的電池單元，在4.2–2.5V電壓，6C充電倍率（電池容量的6倍）的情況下，實現了0-80%充電時間5.2分鐘，98%電量以上的充電時間保持在10分鐘以內。

同時，能夠在1000次以上循環充電后，依然保持93%的電池容量，性能遠遠高于目前主流三元鋰電池1000次循環后容量80%左右的數據。

當然，這只是在0.27Ah小電池單元上實現的實驗數據，最終能否成功商業化，還是個未知數。

不過從官方的業務中可以看出，采用同樣結構的硅負極鋰電池，已經在3C消費領域得到商業應用，據悉其產品能量密度可以達到900Wh/L。

而根據Enovix此前的規劃，進軍電動車動力電池領域，定在了2023-2024年。

Enovix是誰？

說完技術，背后的Enovix需要關注和起底。

官方信息顯示，Enovix是一家美國電池制造商，成立于2007年，總部位于加州。核心創始團隊有3人，有意思的是，這3人在創立Enovix之前，沒有一個人的背景與電池有關，反倒是供職于同一家公司：

FormFactor，一家半導體產品的制造商。

現在也能夠理解，Enovix為什么會用造芯片的思路造電池了吧。

其中，聯合創始人兼CEO哈羅德-拉斯特（Harrold Rust），曾在斯坦福大學獲得機械工程碩士學位，是Enovix的商業掌舵人，在FormFactor之前，曾在IBM供職，領導IBM在亞洲、中美洲和歐洲的全球磁盤驅動頭業務的財務計劃責任。

聯合創始人兼CTO阿肖克-拉希里（Ashok Lahiri），是Enovix的技術核心，Enovix 3D電池結構相關的大多數專利，都有他的參與。

而且需要注意的是，拉希里在FormFactor供職期間，主要的任務，就是優化芯片硅基板的結構，這也為其后來開發3D電池結構打下基礎。

聯合創始人兼副總裁穆拉里-拉馬蘇布拉姆尼安（Murali Ramasubramanian），曾經在FormFactor負責新材料和結構的研究開發，曾經主導了FormFactor半導體晶圓測試的三維MEMS接觸技術研發。

商業模式方面，Enovix在電池領域最先打入的賽道是小型電子設備，包括可穿戴設備以及3C消費電子等。

而以可穿戴設備作為突破點的原因，據官方招股書披露，是基于成本的考量，可穿戴設備行業對電池成本不那么敏感，但對于能量密度要求更高，這也契合硅負極電池的優勢。

截止到目前，Enovix成品電池的能量密度已經可以達到900Wh/L，同時已經通過深度循環500次的測試。

對于后續的規劃，因為消費類電子的市場規模遠不足電動車市場，Enovix計劃通過3D電池結構技術，在2023-2024年進入動力電池領域，目前已經在相關業務上與三菱汽車達到合作。

融資進展上，截止到2020年初，Enovix已經進行了6輪累計近2億美元的融資：

• 2007年3月，A輪融資230萬美元，投資方為DCM Ventures；
• 2008年9月，B輪融資1200萬美元，投資方為Trinity Ventures；
• 2012年3月，C輪融資1500萬美元，投資方為DCM Ventures和Sofinnova Investments；
• 2016年4月，D輪融資1億美元，由英特爾領投，Qualcomm，Cypress賽普拉斯半導體跟投；
• 2018年8月，獲得1700萬美元風投資金，投資方不詳；
• 2020年3月，獲得E輪融資4500萬美元，由賽普拉斯半導體創始人T·J·Rodgers個人投資。

從投資人來看，Enovix有英特爾這樣的巨頭，也有賽普拉斯這樣的半導體公司，但唯獨沒有主機廠的投資。

2021年2月，Enovix通過SPAC合并借殼上市，融資金額4.05億美元，估值11億美元。截止到上周五，Enovix股價報11.12美元/股，市值達到17.44億美元。

國內硅負極電池有啥進展？

目光再說回國內，硅負極電池研發，現在什么景象？

就目前來說，硅負極電池已經成為電池制造商和主機廠重點發力的領域，但從技術路線來說，國內主要是在材料進行突破，而不是電池結構。

以廣汽的海綿硅負極片電池技術為代表，分別是在電極材料、粘合劑和修復技術上入手，具體來看：

首先是通過納米復合硅技術，將硅材料控制在納米尺度，并在表面覆蓋保護層用以控制微觀狀態，同時避免硅元素與電解液的直接接觸，從而控制充放電過程中的體積膨脹。

其次是在極片連接上采用具有自修復功能的粘合劑技術，讓破損的硅負極可以在膨脹收縮過程中得以自我修補，保證電極結構穩定性。

最后是梯度復合涂布技術，通過硅負極極片活性組分與非活性緩沖組分的梯度分布設計，大幅提升了活性層與集流體的結合力，改善了負極極片本體的結構穩定性。

除此之外，商業化方面，則是以貝特瑞、國軒高科等電池產業鏈玩家走在前面。

其中貝特瑞已經在2013年實現硅負極材料的商業化，是國內最早量產硅負極材料的企業之一，就在不久前，貝特瑞還在深圳投資建設了年產4萬噸的硅負極材料生產線。

國軒高科則是在2016年投建5000噸硅基材料項目，并在去年年初發布210Wh/kg軟包磷酸鐵鋰電芯，宣布首次在磷酸鐵鋰化學體系中成功應用硅負極材料。