硅晶圆锂电池相比传统锂电池有哪些改进？
来源：宝鄂实业
2019-10-12 21:09
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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。
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。
将电极集成到硅晶圆上，也会使电池的阴极安全。通常，阴极材料都有不同的工作温度限制，当工作温度超过临界温度，阴极材料就会自动分解，释放出支持燃烧的氧。
如果这个过程持续发生，就可能造成起火或爆炸。而Enovix将阴极分成了成千上万个由硅分离开来的微小部分，硅的导热速度很快，于是降低了由热扩散引起的起火爆炸的可能性。
使用硅作为锂电池阳极也能减少故障发生的几率。通常，离子从锂金属氧化物阴极流到石墨阳极（移动设备中的最普遍使用的阳极材料）的过程中也可能发生意外，而锂离子位于石墨晶体点阵结构的空隙中。
但是，在电流较大、活性阳极材料局部缺或极端低温的情况下，锂离子都有可能迁移到石墨的表面上。因为金属锂倾向于以树枝晶的结构积聚，所以在电池充电和放电的过程中，枝状结晶会生长并最终刺穿隔膜造成短路，这也可能导致起火或爆炸。
而且，传统的锂电池过热会变得不稳定，并可能发生热致失效。
硅阳极还有另一大优势:比容量大大地提高。对于传统锂电池而言，电池充电时，石墨阳极会吸收锂离子形成碳化锂（LiC6）；电池放电时，锂离子重新回到电解质中，而石墨的理论比容量约为372mAh/g。
-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。
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。
将电极集成到硅晶圆上，也会使电池的阴极安全。通常，阴极材料都有不同的工作温度限制，当工作温度超过临界温度，阴极材料就会自动分解，释放出支持燃烧的氧。
如果这个过程持续发生，就可能造成起火或爆炸。而Enovix将阴极分成了成千上万个由硅分离开来的微小部分，硅的导热速度很快，于是降低了由热扩散引起的起火爆炸的可能性。
使用硅作为锂电池阳极也能减少故障发生的几率。通常，离子从锂金属氧化物阴极流到石墨阳极（移动设备中的最普遍使用的阳极材料）的过程中也可能发生意外，而锂离子位于石墨晶体点阵结构的空隙中。
但是，在电流较大、活性阳极材料局部缺或极端低温的情况下，锂离子都有可能迁移到石墨的表面上。因为金属锂倾向于以树枝晶的结构积聚，所以在电池充电和放电的过程中，枝状结晶会生长并最终刺穿隔膜造成短路，这也可能导致起火或爆炸。
而且，传统的锂电池过热会变得不稳定，并可能发生热致失效。
硅阳极还有另一大优势:比容量大大地提高。对于传统锂电池而言，电池充电时，石墨阳极会吸收锂离子形成碳化锂（LiC6）；电池放电时，锂离子重新回到电解质中，而石墨的理论比容量约为372mAh/g。
