会膨胀的硅负极电池，为何华为、小米、广汽要拥抱？

屈指一算，人类进入锂离子电池时代大概有 30 年的时间了 —— 自锂离子电池之父吉野彰与索尼合作，于 1991 年研发出首款商用锂离子电池之日起，锂离子电池至今仍未达到最完美状态。而又因其巨大的潜力，人类改良锂离子电池的步伐也就从来未停过。

前段时间给大家介绍了锂离子电池的理想终极形态，即采用固态电解质的「固态锂离子电池」，它将会是一种高效、高容量、高安全系数的锂离子电池 —— 但如今，距离实现真正的全固态锂离子电池还有很长一段路要走。

而回到如今常规的液态锂离子电池，眼下面临的最大问题是难以满足的能量密度，无论用作普通电子设备的供电、电能储备系统的储能介质，还是电动汽车的动力驱动，其续航焦虑仍旧存在 —— 所以眼下锂离子电池发展的一大方向就是提升能量密度，而今有一条行之有效的思路方法：可以从「硅」下手。

近日沃尔沃投资了一家名为 StoreDot 的以色列电池公司，StoreDot 前段时间宣布研发的高能量密度、高充电速率电池技术将于 2024 年正式量产，这种电池将普通锂离子电池的石墨负极改为了硅材料 —— 据说能在成本不变的前提下，提升约 50% 的充电速度，且提升电池容量。

我们知道，锂离子电池内部主要由正极材料、负极材料、电解质，以及两极之间的隔膜组成 —— 电池在放电的时候，负极会往电池外释出带负电的电子（e-），经过用电器（负载），回到电池的正极，与此同时，电池内部的负极会释放出锂离子（Li+），通过电解质穿过电池隔膜，来到正极；而电池在充电的时候则相反，电子会在外部从正极回到负极，而电池内部，正极的锂离子会重新经过电解质穿过隔膜，回到电池负极，这个过程顺便将能量「存」了起来。

▲ 锂电池充放电示意图（电流与电子方向相反） / 图源：Toray 东丽（中国）

所以说，刨除正极材料、电解质和隔膜的影响，在理想状态下，负极上能「存储」的锂离子越多，理论上它的体积能量密度就越高。而如今锂离子电池，因较低成本、稳定性高，以及还算不错的能量密度，普遍采用石墨作为负极材料，但眼下石墨负极能提供的能量密度即将触碰天花板，成为限制锂离子电池容量木桶最短的一块木板 —— 想要突破能量密度限制，就得寻求新材料。

于是硅材料负极登上了舞台，它是如今我们已知质量比容量最大的负极材料，据说能达到石墨材料的 11 倍 —— 也就是说，理论上硅材料负极「存储」锂离子的能力是石墨材料负极的 11 倍，让更多的锂离子有发挥之地，另外「硅」在地表的含量颇为丰富，同时单位质量低、能量密度高 —— 如此一来，选用硅材料负极的电池既能换来更快的充电速率、也能一定程度上提升电池的能量密度，就等我们挖掘它的潜能了。

理想状态下，当然是用纯硅完全作为负极，完全嵌到锂材料下，但实际上充电过程会导致硅材料负极有夸张的膨胀，放电的过程则会缩小，直接影响电池体的稳定 —— 这就是硅材料负极最大的技术难点！

小米在去年底公布了一项电池技术里，就借鉴了一种叫「高硅补锂」的做法，不直接用纯硅材料，而是用硅含量较高的硅碳化合物用做负极材料，同时，在负极极片表面复合上超薄锂箔，在电化学反应的作用下锂金属可以直接补充在激活过程中损失的锂，来补偿电池初次的容量损失 —— 小米称将于 2022 年下半年量产。

▲ 华为 Mate Xs 2

但有趣的是，华为在最近的折叠屏手机 Mate Xs 2 典藏版抢先搭载了高硅负极电池，据说高硅负极材料提升 21%，容量来到 4880mAh（其它版本 4600mAh）。

▲ StoreDot 硅基纳米粒子相关专利示意图

而回到以色列这家 StoreDot 电池公司，他们解决硅负极材料膨胀的方法在硅材料本身，首先将硅制造成直径约为 100 纳米的硅颗粒，再用碳和有机化合物做成可承载硅颗粒的托架，让硅颗粒在托架上发生膨胀与收缩，让充、放电时原本近 10 倍的体积变化缩小到仅 1/10 —— 因为 StoreDot 这家公司主攻电动汽车的动力电池，仅 1/10 的体积变化对于电动汽车的电池组来说是能接受的，而更重要的是提升了电池的能量密度同时，还提升充电的速度。

▲ 广汽埃安 LX Plus

其实不止是外国公司，国内的电池厂如宁德时代宣布过「掺硅补锂」的电池方案，而广汽也公布过埃安 LX Plus 车型，NEDC 工况续航里程据说能做到 1000km 以上，电池用了自家研发的「海绵硅负极片电池」技术，容量达 144.4kWh —— 不过这个版本的车型交付时间至今未定。

可见，如今还只是硅负极电池发展进入商用阶段的初期，好消息是，硅负极电池不仅能被运用到如今常见的液态锂离子电池中，未来配合全固态锂离子电池的发展，那么它的潜能将更高。