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）
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