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告别“炸药包”问题 硅晶圆锂电池是什么鬼?

导读: 锂电池广泛用于现代各种移动设备中,它具有质轻、高效、能量密度高等一系列其它电池无法比拟的优势。

锂电池广泛用于现代各种移动设备中,它具有质轻、高效、能量密度高等一系列其它电池无法比拟的优势。

然而,传统锂电池结构设计的固有缺陷与制造工艺都会使锂电池具有不可避免的安全隐患。得益于芯片制造技术,Enovix设计出了当前性能最好的锂电池,制造该电池的技术有望改变整个锂电池行业。

锂电池是现代数字化革命的主力军。它已经广泛用于手机、笔记本电脑、汽车等一系列移动电子设备之中,是目前商业上最抢手的能量存储系统之一。

相比于其它化学电池,锂电池质轻、能量密度高,因此可以将体积做到很小置于现代各种便携式移动设备。如果没有锂电池,也就没有现代如此先进的智能手机、笔记本电脑,电动汽车的未来也令人堪忧。

自锂电池商业化以来,虽然它在商业上已经非常成功,但它仍然有明显的缺点:成本仍然很高;高温下不稳定;能会爆炸或引发火灾等。

去年就发生了一系列与锂电池燃烧、爆炸有关的事件:笔记本电脑被烧毁,航班被取消,悬浮滑板在工作时起火。在美国,去年因为锂电池起火,三星召回了价值高达50亿美元的Galaxy Note 7智能手机,并中止了该模型的继续使用,这使得三星的市值减少了数十亿美元。

经过几个月的检测,三星在今年一月宣布这些故障主要来自于锂电池的设计。传统的锂电池设计起源于特定的历史背景,但是今天可以我们完全可以利用芯片制造制造工艺提高锂电池的生产水平。

位于美国加州的Enovix公司已经表示,他们能够生产比目前市场上体积更小、更便宜、更安全的锂电池。

图 | Enovix硅锂电池原型的剖面图

Enovix成立于2007年,启动资金来源于硅谷的几家风险投资公司。该公司的第一个项目是,研究是否能用硅代替石墨做可充电锂电池的阳极材料。

2012年,该公司已开始生产比传统锂电池具有更高能量密度的电池,并在英特尔、高通和普拉斯半导体的战略投资下,开始开发低成本、大批量的生产系统。

传统的锂电池设计起源于索尼公司生产磁带的过程:

- 磁带是在塑料薄膜带基上涂覆磁浆、干燥、切成长条形并卷起而制成。如果将化学浆料涂在金属箔上干燥并切片,就能成电极;

- 然后,将两个电极片中间夹一层聚合物电解质隔膜,在允许离子刘东宇电极之间的同时不允许电子通过;

- 最后将整个堆叠而成的结构像寿司卷一样缠绕在一起,这就形成了圆柱形电池的主要部分。

这种设计虽巧妙,但如果要在此基础上进一步提升电池性却十分困难。这种设计很浪费空间,限制了能量密度,还会在材料选择、组装过程中留下安全隐患。

Enovix电池对此做出了重要的改进:第一,使用硅晶圆光刻技术在硅晶圆上制造两极;第二,将传统锂电池的阳极材料石墨换成了多孔硅。

图 | 传统锂电池的内部横截面视图,电池阳极薄片、阴极薄片被聚合物隔膜分开,压平并装入金属外壳中

在组装好的传统锂电池中,储存能量的材料仅限于构成阳极(负电极)和阴极(正电极)的颗粒。通常情况下,金属箔集流体,电解质,封装材料以及未利用的空间会占到电池总体积的40%,如此巨大的浪费很大程度上降低了电池的能量密度。

Enovix电池使用了来自芯片行业的硅晶圆光刻技术,在1毫米厚的硅晶圆上制造阴极,阳极和隔膜,这显著地减少了浪费的空间。在这种电池中,75%的电池体积用于储存能量,这比传统电池增加了约25%的电容量。

类似地,对于给定容量的电池,电池重量会成比例地减少。体积通常是电池用于移动设备中更关键的约束。

图 | 密集封装:该锂电池结构包括阴极、100%的硅阳极和陶瓷隔膜定向、交错地排列在厚度为1毫米的薄平面上,显著提高了电池能量密度和安全性  来源: Jean-Luc Fortier

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