10分鍾充電90%以上是什麽快充電池技術？

TIME: 2022-06-29 電池行業動態資訊

現在電池市場上快充電池技術是很熱門的話題，據行業資訊報道說10分鍾充電90%以上，這個是什麽快充電池技術呢？是不是真的？

有報道指出美國電池制造商Enovix在一塊0.27Ah的矽負極動力電池單元上，成功實現0-80%充電只用5.2分鍾；0-98%充電在10分鍾以下的6C快充。比美國先進電池聯盟（USABC）目前快充目標減少近2/3。而且是在保證電池壽命的前提下實現了這一數據。官方循環壽命數據：1000次循環後電池容量還能保持在93%，而主流三元锂電池1000次循環後，容量只能剩下80%左右。在理論上證明了矽負極锂電池，快充和電池循環兼得的可行性。

在官方新闻稿中，Enovix给出了两个关键信息：硅负极材料，以及Enovix的独家专利：3D Silicon电池结构。

先說矽負極材料

衆所周知，矽基負極材料比目前主流的石墨負極材料有兩個優勢：

首先，單位容量高，數據表明，采用矽作爲負極材料的锂電池，理论容量可以达到4200mAh/g，相比之下，目前主流的锂電池单位容量则为365mAh/g，两者差距在10倍以上。

用“電池容量=單位能量密度×體積/質量”的公式簡單推導，意味著矽基電池的能量密度也可以達到石墨負極材料的10倍以上。

其次，矽材料在地球上的礦物儲量極爲豐富，對環境本身更加友好，這也是經濟和環境方面的優勢。

最后，石墨负极锂電池在充放电过程中，会因为锂电镀过程而形成枝晶，从而可能穿透隔膜引起短路等安全问题，这也是影响锂電池充电速度的重要因素，而硅元素则可以抑制枝晶的生长，从而在充电速度上形成优势。

基于以上优势，硅负极电池也被视为锂電池未来的发展方向。

“未來”，代表趨勢，也代表還有未解決的問題，具體到矽負極電池而言，如果想在電動汽車領域成功商業化，還需要消除一個最重要的障礙：

充電膨脹問題，資料表明矽嵌锂形成矽锂合金化合物的過程中，體積膨脹可以達到300%-400%，遠遠高于石墨負極材料電池。

這一特征有2個隱患：矽負極電池在充電過程中會導致矽材料和導電劑脫離，導電性降低，結果是電池容量快速衰減，降低循環壽命。

巨大的膨脹變化會使電極膜變大開裂，最後使活性材料從集流體上脫落，造成電池內阻增加，發熱量加大，帶來嚴重的電池安全問題。

因此，矽負極材料優勢很明顯，電池容量和能量密度有巨大優勢，但劣勢同樣明顯：壽命短。這兩個問題，從當下純電動車動力電池的需求角度看，幾乎就是原罪。

所以，Enovix如何解決？

在这里，就要讲到第二个关键点：3D Silicon电池结构。传统的缠绕式电池结构是将电池的正负极和隔膜叠加在一起，然后像卷纸一样卷起来。

傳統結構的缺點是，爲了避免電池內部出現短路，隔膜通常比正負極做得更寬，浪費了儲能空間。

根據官方信息，這種結構設計參考了芯片的制造工藝。具體來說，就是用1毫米厚的矽片做電池，用光刻的方式在矽片上做凹槽，然後在凹槽中用電鍍的方式鍍上電池的導電層，然後在凹槽中再填充正極材料和隔膜。

根據官方數據，這種結構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。這種電池結構除了提高容積外，更大的優勢在于，在保證高能量密度和快充速率的基礎上，提升了矽負極電池的循環次數和使用安全。

而這方面，Enovix並未透露，但我們在查閱Enovix相關的論文和專利時，發現了2個關鍵點：

一方面，是微观层面，3D Silicon电池在硅板上蚀刻凹槽的时候，会提前为硅负极预埋空隙，用于解决硅嵌锂过程中膨胀可以内部消化，而不至于挤压电池空间，形成短路。

另一方面，3D Silicon电池还用到了一种叫做BrakeFlow的技术，来抑制电池在发生短路的情况下热失控。

具體來說，就是在多個電池板疊加的情況下，在連接到每個單元的母線上設定一個固定的電阻，這樣在內部短路的情況下，可以調通過BrakeFlow調節通過短路處的電流，限制讓短路區域過熱出現熱失控的情況。但這個BrakeFlow的發生機制和背後原理，Enovix官方並未透露。

最後，基于矽負極材料和獨特的電池結構設計，矽負極電池具體表現怎麽樣？Enovix放出了實驗結果:

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，實現了0-80%充電時間5.2分鍾，98%電量以上的充電時間保持在10分鍾以內。

同时，能够在1000次以上循环充电后，依然保持93%的电池容量，性能远远高于目前主流三元锂電池1000次循环后容量80%左右的数据。

当然，这只是在0.27Ah小电池单元上实现的实验数据，最终能否成功商业化，还是个未知数。不过从官方的业务中可以看出，采用同样结构的硅负极锂電池，已经在3C消费领域得到商业应用，据悉其产品能量密度可以达到900Wh/L。而根据Enovix此前的规划，进军电动车动力电池领域，定在了2023-2024年。

伊斯特化學主打産品：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）属于氮杂环化合物，是一种无毒性、沸点高、极性强、粘度低、腐蚀性小、溶解度大，挥发度低，稳定性好，易回收的高效选择性溶剂。是生产锂离子电池非常重要的辅助材料，一般作为正极涂布溶剂，或作为锂電池导电剂浆料溶剂。

單壁碳納米管（SWCNT）是锂離子電池的一種新型導電劑，添加量少、能降低電極內阻、可改善常溫循環和高溫循環，提升能量密度，爲锂離子電池提供卓越的導電性能。

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