电动知士|特斯拉电池日再放预告，干电极技术或失宠，硅纳米线将成主角？
前几天 ， 特斯拉官方放出了一张电池日的最新海报 ， 同日 ， CEO马斯克在推特上表示特斯拉会在3-4年内批量生产寿命更长、而且能量密度提高50%也就是达到400wh/kg的电池 。海外媒体研究后 ， 得出了一个结论：这…好像是硅纳米线的结构图啊？！
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我们之前猜测过特斯拉可能会在正极材料上做文章 ， 使用单晶技术；也可能在负极材料上用Maxwell的干电极技术+预锂化的方式 ， 再或者在电解液中加入新型添加剂 。结果 ， 特斯拉的纳米材料预告图却在告诉我们 ， 电池技术 ， 我们还是有杀手锏的！ 。
其实跟特斯拉合作的Amprius公司 ， 早在去年就已经将这种新型电池投入使用了 。Zephyr无人机搭载硅纳米线电池后 ， 在平流层飞行超过了25天 。
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这个公司也很有意思啊 ， 现在已经偷偷跟特斯拉“暗度陈仓”了 。图片显示 ， Amprius已经搬去跟特斯拉秘密的 Tera 电池制造工厂做邻居了 ， 特斯拉电池日也会在这里举办 。很好 ， 真是近水楼台先得月 ， 难怪Maxwell都要往后稍稍呢 。
话说回来 ， 就来讲讲这个所谓的“硅纳米线”电池是什么 ， 注意断句 ， 硅/纳米线 ， 其实这种电池本质上就是用硅纳米线取代了传统锂离子电池中的负极材料石墨 。
那为什么不用普通硅呢？硅对环境友好、资源丰富 ， 工作电压也与石墨接近 ， 理论比容量也达到了4200mAh/g ， 也是目前合金负极材料中最高的 。硅又便宜又常见 ， 它不香吗？
当然——是不行的 。在循环过程中 ， 硅会发生严重的体积变化 。锂离子电池的容量跟负极材料能够嵌入的锂离子数量有关 ， 嵌入的锂离子数目越多 ， 电池容量就越大 。充电过程就是锂离子嵌入过程 ， 硅材料随之膨胀；在电池工作放电时 ， 锂离子从硅材料中脱出 。
硅的主要问题是在嵌锂的时候 ， 体积相对于原来的大小膨胀了将近400% ， 类比以前的电池会出现鼓包的情况 ， 硅作负极的电池膨胀以后可能鼓成原来的四个大 。因此在脱锂后 ， 硅很难恢复到原来的形貌 。
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体积膨胀又会在硅材料上施加额外的应力 ， 导致材料破损和龟裂 。这一过程就是所谓的电极粉末化 ， 通俗点来说就是 ， 电极主观对抗让它膨胀的过程 ， 结果用着用着 ， 电池内部碎了 。粉末化过程中 ， 碎了的硅材料会从电极上脱落 ， 这也会导致最后电池循环稳定性差 ， 电池容量也会急剧下降 。硅可以看作是一个反应容器 ， 反应容器没了 ， 电池的反应也不能正常进行了 。
而这个硅纳米线 ， 指的是宽度在10纳米左右、长度无限制的材料 ， 可以想象成硅纳米带 ， 这是一种新型的一维半导体纳米材料 ， 内晶核是单晶硅 ， 外部有一层SiO2进行包覆 。
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通过查询专利可以大概了解到Amprius的硅纳米线制作工艺：利用涂覆有硅涂层纳米结构模版 ， 使用PECVD工艺或热CVD法 ， 直接在导电基板上生长硅纳米线 。该纳米线具有核壳结构 ， 这一制备方法同样也适用于在硅纳米线上复合或参杂其它物质 ， 以增强它的导电性和强度 。
硅纳米线就可以通过横向膨胀来很好的释放应力 ， 不会造成纳米线龟裂或破损 ， 从而阻止了电极的粉末化 。硅纳米线之间有一定的间隙 ， 体积膨胀的时候也有一些空间让它膨胀 ， 不会让它相互挤压 。
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另外 ， 在电流集电极上直接生长纳米线还可以增强纳米线与衬底之间的物理和电学接触 ， 一般来说 ， 电极材料是通过粘结剂粘在电极上的 ， 这种方式等于让硅从电极上“长”出来 ， 可以让每根纳米线上的电子都可以很好的传输至外电路 。纳米线的导电性也能通过和其他材料不同方式的合作得到提高 ， 比如掺杂、合金化、核壳材料等形式 ， 硅纳米线导电性的问题也就不用担心了 。
聊到现在 ， 虽然硅纳米线有这么多的优势 ， 但我还是坚持认为这个硅纳米线电池 ， 特斯拉可能会使用 ， 却也不能把所有容量提升全都归功于这一点 。为什么？
从成本角度来考虑 ， 尽管硅的储量很大成本很低 ， 但上述的制备工艺成本可不低 。无论是纳米化还是上面提到的化学气相沉积法（也就是CVD） ， 都在无形中提高了硅纳米线负极的成本 。
这种工艺属于高耗能工艺 ， 加工难度和制造成本都高于人工石墨 。如果真的大规模生产的话会导致成本不可接受 。新能源车上的电池和航空航天领域的不一样 ， 这是需要大规模量产的 ， 但航空航天的材料随随便便烧个几百亿都算正常的 。成本如果降不下来 ， 最终还是要转嫁到消费者身上 。
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性能表现上说 ， 尽管Amprius的专利显示硅纳米线循环180次后仍能达到1000mAh/g的能量密度 ， 但整合在电池上终究不是负极材料一家说了算 ， 搭配正极和电解液 ， 硅纳米线电池的最大容量以及循环性能究竟是个什么水平还要打个大大的问号 。成本与这个提高程度是否成正比 ， 也要等量产之后才有答案 。
还有一个比较关键的问题是 ， 现在制约纯电动车的电池容量上限的并不是负极材料 ， 而是正极材料 。从NCM523 ， 到NCM622再到NCM811 ， 这一路走下来 ， 电池的发展趋势都是提高镍在电池中的比例 。就算是今年大火的磷酸铁锂刀片电池 ， 也只是从模组层面进行提升 。
虽说负极材料没少折腾 ， 前段时间广汽新能源还宣传了石墨烯作负极的种种优势 ， 可到现在 ， 也没透露出更多信息 ， 但是各大厂商就真这么傻 ， 想不到改善负极来提升电池容量吗？
电池负极容量对电池总比容量的贡献远没有大家想象的这么多 ， 石墨的理论容量为372mAh/g ， 特斯拉Model 3掺入10%硅基材料的石墨负极容量约为550mAh/g 。那Model 3的续航里程有明显提升吗？
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【电动知士|特斯拉电池日再放预告，干电极技术或失宠，硅纳米线将成主角？】特斯拉这个“渣男”的态度就是 ， 不承认、不否认、不知道 ， 我可以暗示跟Amprius合作了 ， 采用了硅纳米线技术 ， 但只要我不承认 ， 你们就都得等到9月22日电池日才知道到底怎么回事 。我们能怎么办 ， 就等马斯克到时候再揭晓呗 。
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