10分鐘充電90%以上是什么快充電池技術(shù)？

現(xiàn)在電池市場上快充電池技術(shù)是很熱門的話題，據(jù)行業(yè)資訊報(bào)道說10分鐘充電90%以上，這個(gè)是什么快充電池技術(shù)呢？是不是真的？

有報(bào)道指出美國電池制造商Enovix在一塊0.27Ah的硅負(fù)極動(dòng)力電池單元上，成功實(shí)現(xiàn)0-80%充電只用5.2分鐘；0-98%充電在10分鐘以下的6C快充。比美國先進(jìn)電池聯(lián)盟（USABC）目前快充目標(biāo)減少近2/3。而且是在保證電池壽命的前提下實(shí)現(xiàn)了這一數(shù)據(jù)。官方循環(huán)壽命數(shù)據(jù)：1000次循環(huán)后電池容量還能保持在93%，而主流三元鋰電池1000次循環(huán)后，容量只能剩下80%左右。在理論上證明了硅負(fù)極鋰電池，快充和電池循環(huán)兼得的可行性。

在官方新聞稿中，Enovix給出了兩個(gè)關(guān)鍵信息：硅負(fù)極材料，以及Enovix的獨(dú)家專利：3D Silicon電池結(jié)構(gòu)。

先說硅負(fù)極材料

眾所周知，硅基負(fù)極材料比目前主流的石墨負(fù)極材料有兩個(gè)優(yōu)勢：

首先，單位容量高，數(shù)據(jù)表明，采用硅作為負(fù)極材料的鋰電池，理論容量可以達(dá)到4200mAh/g，相比之下，目前主流的鋰電池單位容量則為365mAh/g，兩者差距在10倍以上。

用“電池容量=單位能量密度×體積/質(zhì)量”的公式簡單推導(dǎo)，意味著硅基電池的能量密度也可以達(dá)到石墨負(fù)極材料的10倍以上。

其次，硅材料在地球上的礦物儲量極為豐富，對環(huán)境本身更加友好，這也是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的優(yōu)勢。

最后，石墨負(fù)極鋰電池在充放電過程中，會因?yàn)殇囯婂冞^程而形成枝晶，從而可能穿透隔膜引起短路等安全問題，這也是影響鋰電池充電速度的重要因素，而硅元素則可以抑制枝晶的生長，從而在充電速度上形成優(yōu)勢。

基于以上優(yōu)勢，硅負(fù)極電池也被視為鋰電池未來的發(fā)展方向。

“未來”，代表趨勢，也代表還有未解決的問題，具體到硅負(fù)極電池而言，如果想在電動(dòng)汽車領(lǐng)域成功商業(yè)化，還需要消除一個(gè)最重要的障礙：

充電膨脹問題，資料表明硅嵌鋰形成硅鋰合金化合物的過程中，體積膨脹可以達(dá)到300%-400%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極材料電池。

這一特征有2個(gè)隱患：硅負(fù)極電池在充電過程中會導(dǎo)致硅材料和導(dǎo)電劑脫離，導(dǎo)電性降低，結(jié)果是電池容量快速衰減，降低循環(huán)壽命。

巨大的膨脹變化會使電極膜變大開裂，最后使活性材料從集流體上脫落，造成電池內(nèi)阻增加，發(fā)熱量加大，帶來嚴(yán)重的電池安全問題。

因此，硅負(fù)極材料優(yōu)勢很明顯，電池容量和能量密度有巨大優(yōu)勢，但劣勢同樣明顯：壽命短。這兩個(gè)問題，從當(dāng)下純電動(dòng)車動(dòng)力電池的需求角度看，幾乎就是原罪。

所以，Enovix如何解決？

在這里，就要講到第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：3D Silicon電池結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的纏繞式電池結(jié)構(gòu)是將電池的正負(fù)極和隔膜疊加在一起，然后像卷紙一樣卷起來。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，為了避免電池內(nèi)部出現(xiàn)短路，隔膜通常比正負(fù)極做得更寬，浪費(fèi)了儲能空間。

根據(jù)官方信息，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考了芯片的制造工藝。具體來說，就是用1毫米厚的硅片做電池，用光刻的方式在硅片上做凹槽，然后在凹槽中用電鍍的方式鍍上電池的導(dǎo)電層，然后在凹槽中再填充正極材料和隔膜。

根據(jù)官方數(shù)據(jù)，這種結(jié)構(gòu)可以將儲能材料的空間利用率提高到75%，可以在單位容量上減小電池體積。這種電池結(jié)構(gòu)除了提高容積外，更大的優(yōu)勢在于，在保證高能量密度和快充速率的基礎(chǔ)上，提升了硅負(fù)極電池的循環(huán)次數(shù)和使用安全。

而這方面，Enovix并未透露，但我們在查閱Enovix相關(guān)的論文和專利時(shí)，發(fā)現(xiàn)了2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

一方面，是微觀層面，3D Silicon電池在硅板上蝕刻凹槽的時(shí)候，會提前為硅負(fù)極預(yù)埋空隙，用于解決硅嵌鋰過程中膨脹可以內(nèi)部消化，而不至于擠壓電池空間，形成短路。

另一方面，3D Silicon電池還用到了一種叫做BrakeFlow的技術(shù)，來抑制電池在發(fā)生短路的情況下熱失控。

具體來說，就是在多個(gè)電池板疊加的情況下，在連接到每個(gè)單元的母線上設(shè)定一個(gè)固定的電阻，這樣在內(nèi)部短路的情況下，可以調(diào)通過BrakeFlow調(diào)節(jié)通過短路處的電流，限制讓短路區(qū)域過熱出現(xiàn)熱失控的情況。但這個(gè)BrakeFlow的發(fā)生機(jī)制和背后原理，Enovix官方并未透露。

最后，基于硅負(fù)極材料和獨(dú)特的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硅負(fù)極電池具體表現(xiàn)怎么樣？Enovix放出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

基于一塊0.27Ah的電池單元，在4.2–2.5V電壓，6C充電倍率（電池容量的6倍）的情況下，實(shí)現(xiàn)了0-80%充電時(shí)間5.2分鐘，98%電量以上的充電時(shí)間保持在10分鐘以內(nèi)。

同時(shí)，能夠在1000次以上循環(huán)充電后，依然保持93%的電池容量，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前主流三元鋰電池1000次循環(huán)后容量80%左右的數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，這只是在0.27Ah小電池單元上實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終能否成功商業(yè)化，還是個(gè)未知數(shù)。不過從官方的業(yè)務(wù)中可以看出，采用同樣結(jié)構(gòu)的硅負(fù)極鋰電池，已經(jīng)在3C消費(fèi)領(lǐng)域得到商業(yè)應(yīng)用，據(jù)悉其產(chǎn)品能量密度可以達(dá)到900Wh/L。而根據(jù)Enovix此前的規(guī)劃，進(jìn)軍電動(dòng)車動(dòng)力電池領(lǐng)域，定在了2023-2024年。

伊斯特化學(xué)主打產(chǎn)品：電子級N-甲基吡咯烷酮（NMP）和單壁碳納米管（SWCNT）。

N-甲基吡咯烷酮（NMP）屬于氮雜環(huán)化合物，是一種無毒性、沸點(diǎn)高、極性強(qiáng)、粘度低、腐蝕性小、溶解度大，揮發(fā)度低，穩(wěn)定性好，易回收的高效選擇性溶劑。是生產(chǎn)鋰離子電池非常重要的輔助材料，一般作為正極涂布溶劑，或作為鋰電池導(dǎo)電劑漿料溶劑。

單壁碳納米管（SWCNT）是鋰離子電池的一種新型導(dǎo)電劑，添加量少、能降低電極內(nèi)阻、可改善常溫循環(huán)和高溫循環(huán)，提升能量密度，為鋰離子電池提供卓越的導(dǎo)電性能。