纳米硅-石墨阳极提高下一代电动汽车电池的效率

OneD Battery Sciences 开发了一种新技术，可以提高电动汽车电池的效率。被称为 SINANODE 的专有专利技术是电池制造过程中的一个步骤，它将硅纳米线融合到用于阳极的商业石墨粉上，提高了能量密度和寿命，同时降低了 EV 电池的成本。据 OneD Battery Sciences 称，这项技术可以将阳极的能量密度提高三倍，同时将每千瓦时的成本减半。

目前EV电池负极材料石墨的比容量约为350 mAh/g，而纯硅可实现3,575 mAh/g的比容量，至少比传统电池大10倍石墨阳极。新技术利用硅（最有前途的负极材料之一）的特性，将硅纳米线直接生长并融合到电池制造商已选择的商业石墨粉的颗粒上，从而增加了电动汽车的续航里程同时也缩短了充电所需的时间。新技术有两个相关的关键因素。首先是该过程与使用哪种石墨（合成或天然）以及石墨颗粒的大小无关。第二是制造过程可以使用已经部署的机器，使该解决方案非常实惠且可扩展。根据OneD Battery Sciences的说法，由于使用了在可再生能源行业中已经很常见的材料，特别是太阳能电池板的生产，其中使用廉价的硅烷气体 (SiH 4 )，并且非常高的成本，SINANODE 技术的成本仍然很低。用于将硅烷转化为纳米硅的产量和适量的电力。

图 1：电池需求增长（来源：OneD）

赛诺德科技

在过去几年中，SINANODE 通过将该技术应用于用于电动汽车电池阳极的商用电动汽车级石墨，得到了美国、欧洲和亚洲的石墨供应商、电池制造商和电动汽车制造商的测试。

OneD 首席执行官 Vincent Pluvinage 表示：“OneD 正致力于扩大制造工艺，将硅纳米线添加到已用于电动汽车电池的商业石墨中。” “这样做的原因是让汽车制造商能够提供续航里程更长、充电更快、成本更低的电动汽车。这基本上是我们的使命，在过去的 14 年里，我们一直在研究这项技术。”

硅是地球上仅次于氧的第二大元素，如今以微米级氧化硅颗粒的形式使用，与 EV 级石墨混合以增加阳极的比容量（例如，在特斯拉Y 或保时捷 Taycan）。硅纳米线，如图 1 所示，可以与 EV 级石墨融合，提供卓越的优势，例如减小尺寸、形状和表面；更好的强度、连接和分布；以及更高的速度、安全性和可持续性。SINANODE 材料变形以填充碳负极材料基质内的空隙区域，同时在 100% 放电深度循环和长循环寿命后保持完整和功能齐全。

图 2：硅纳米粒子与纳米线（来源：OneD）

OneD 开发的技术具有多种相关优势，包括更快的充电、更长的续航里程和电池寿命、更低的成本、可扩展性以及与全球现有供应商的轻松集成。除了使阳极比容量增加三倍之外，SINANODE 技术还实现了更高的初始库仑效率（大于 92%），超过 1,000 次完全充电/放电循环，比当今可用的 EV 电池中使用的任何硅添加剂都要高。

如图 3 和图 4 所示，通过使用多个供应商提供的商业制造 CVD 设备可以保持较低的成本，仅使用硅烷 (SiH 4 ) 和氮气，这些气体已经用于电子和太阳能行业，价格低廉且可大量使用. 据 Pluvinage 称，这减少了将 SINANODE 技术扩展到 EV 数量所需的投资和时间，同时与当前使用的阳极成本相比，EV 阳极的成本降低了近 50%。

图 3：SINANODE 步骤（来源：OneD）

图 4：SINANODE 过程可变成本（来源：OneD）

图 3 中突出显示的 SINANODE 步骤取代了三个步骤：冶金级硅 (MGS) 纯化、将其研磨成纳米硅以及将硅和石墨与聚合物混合。

用于电动汽车电池阳极和阴极制造的材料可分为活性材料和非活性材料。活性材料是可以储存锂的材料，而非活性材料可以储存其他任何东西。如果我们同时查看 EV 电池的成本和性能，它们主要是指阳极和阴极中的活性材料。

“我们不对阴极做任何事情，但我们需要与各种 EV 阴极化学物质 [NCA、NMC 或 LFP] 兼容，”Pluvinage 说。

在负极方面，绝大多数锂离子电池仅使用石墨作为活性材料。石墨正在大量生产，它是电的良导体，锂离子可以储存在石墨颗粒内部的石墨烯层之间。到目前为止，石墨中可以储存的最大能量是有限的，但硅已被证明能够增加阳极的能量密度。

“我们的工艺采用石墨，并在石墨颗粒上直接生长出细小的硅毛；因为硅纳米线非常小，所以它们具有非常特殊的特性，”Pluvinage 说。“重要的是我们可以以非常大的规模和非常低的成本做到这一点。”

SINANODE 也是一种可持续技术。通过使用更少的石墨和每千瓦时碳足迹更小的SiH 4来减少碳足迹。阳极也更轻，这意味着我们在相同范围内需要的材料更少，从而减轻了重量并延长了电池寿命。

“回收我们的技术非常容易，因为它只依赖于两件事：石墨和硅，”Pluvinage 说。“所以如果你拆开电池，你可以很容易地将石墨与其他部分分开，然后再利用它来制造新电池。我认为可以公平地说，我们在所有三个阶段都提高了可持续性：生产、使用和寿命结束。”

减少碳足迹涉及 OneD 所谓的地缘政治方面。因为它们很重，所以在世界各地运输电池的成本很高。这就是为什么大型全球电动汽车制造商希望依靠他们的本地供应链，使用他们自己的石墨，在每个主要地区（美国、欧洲和亚洲）的工厂生产。

“我们的解决方案适用于任何类型的石墨，”Pluvinage 说。“我们不是石墨生产商，但我们能够提高客户在三个地区中的每一个选择的石墨。这就是我们所说的地缘政治方面。”

审核编辑 黄昊宇