【特斯拉也在投資】為提升鋰電池能量密度,產業界正在開發「碳矽複合電極」

目前鋰電池的陽極材料為石墨,產業界想用碳矽複合材料替代。圖為石墨。

鋰電池是電動車的關鍵組件,想打造一個鋰電池,需要種類極多的稀有材料,例如鋰、鈷、鎳,以及鏑、釹、鋱等稀土金屬。然而,日常生活常見,成本低廉的「石墨」,其實也是鋰電池的重要材料。

石墨沒有儲能功能,產業界想用碳矽複合材料提升能量密度

目前鋰離子電池的陽極材料是石墨。石墨的功能,是容納充電時向陽極移動的鋰原子,但這也是石墨在鋰電池的唯一功能,代表石墨佔據了鋰電池的部分體積,卻沒有提供儲能的功能。因此產業界認為,若能夠找到替代石墨的材料,就能夠提升電池的能量密度。包括特斯拉在內的車廠與電池廠,都在進行替代石墨的材料研究。

目前最可行的方案之一,是在石墨裡添加「矽」,讓同樣體積的陽極容納更多的鋰。成本最低,能量密度最高的做法,是直接用純矽取代石墨,但矽的缺點,是鋰進去的時候會膨脹,因此在充電的時候,可能會出現結構性故障,進而發生危險。石墨不會有形變的問題,是它作為電極的優點。

折衷的方案,是將石墨與矽結合,形成碳矽複合材料(silicon-carbon composites)。此種材料具有矽的高鋰化容量(lithiation capacity)特點,能提升電池的容量密度,卻也具備石墨的機械結構優點與導電性能。與石墨相比,碳矽複合材料有更高的儲存空間容量(storage space capacity)、更高的體積容量(volumetric capacity),更低的放電電壓(discharge voltage)與更低的成本。

除了開發,產業界還希望碳矽複合材料能融入現有產線

根據外媒《Ars Technica》的 報導 ,特斯拉在去年宣稱設計了一種陽極,在電極中加入微小的矽顆粒。特斯拉表示,這能讓電動車續航力提升 20%,但卻沒有提到其它性能,例如與傳統石墨電極鋰電池相比的壽命,也沒有提到商業化的計畫。

除了特斯拉,美國 Enovix 公司預計在今年第三季生產矽陽極鋰電池,目前已開始在加州的工廠安裝設備,並與行動設備公司簽訂電池開發協議。Enovix 的新電池能量容量提升了 30 pc,而且生產工藝基本上與傳統的鋰電池相同。另一家公司 Sila Nanotechnologies 則獲得 5.9 億美元的融資,它的矽陽極鋰電池能量容量提升了 20 pc,能快充,生產工藝也與傳統的鋰電池相當。

在德國,化工公司 Evonik 也在今年 2 月推出一種名為 Siridion Black 的碳矽複合材料。Evonik 表示,該材料能提升能量密度,並強化快充的能力,提升電池性能。

從上述案例來看,產業界除了開發碳矽複合材料,還希望它能融入現有的電池產線,用最簡單的方式將石墨替換掉,以避免過高的轉換成本。畢竟鋰電池占了電動車成本約 1/3,若碳矽複合材料的工藝、產線與石墨相差過大,電池廠與電動車廠前期將投入可觀的資金替換產線,電動車的售價會居高不下,這對銷售不是好消息。

參考資料

ArgusMedia》、《AZO Materials》、《Ars Technica

(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Wikimedia Commons CC Licensed

延伸閱讀

想降低電動車價格,必須突破 2 個電池技術挑戰!
消費電子起家的鴻海如何轉做電動車?外資法人:鴻海將採「輕資產」策略
鴻海投資 2 大電動車電池技術,有望在今年推出固態電池樣品!


點關鍵字看更多相關文章: