XNRGI多孔硅鋰金屬電池即將實現(xiàn)商業(yè)化

鋰離子電池無所不在：電子產品、汽車、機器人和電網(wǎng)存儲中皆有它們的身影。目前，全球鋰離子電池年產量約達160吉瓦時。3位主要開發(fā)者憑借這項革命性的技術獲得2019年諾貝爾化學獎。然而，鋰離子電池并非十分完美。對于長期存儲的應用而言，它仍然價格太高，而且易于起火。

許多類型的電池依靠越來越難以生產的材料，比如鈷和鎳。許多電池專家一致認為，總有一天，會出現(xiàn)更好的電池。鋰電池的前身是鋰金屬電池。

20世紀70年代，埃克森公司的化學家M. 斯坦利?惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）開發(fā)出了鋰金屬電池。金屬鋰適合用作電池材料，因為它易于釋放電子和帶正電荷的鋰離子。

但事實證明，惠廷厄姆的設計難以商業(yè)化：鋰具有高反應性，且用于陰極的二硫化鈦價格昂貴。于是，研究人員在鋰中加入石墨，使鋰形成加層降低反應性，并選擇更便宜的材料用于陰極。鋰離子電池由此誕生。

同時，帶有金屬鋰陽極的電池似乎注定要成為鋰電池發(fā)展之路上一個有趣的旁注。總部位于華盛頓州博塞爾市的XNRGI公司力求將鋰金屬電池推向主流市場。

該公司的研發(fā)團隊將金屬鋰沉積到覆有薄膜且蝕刻了數(shù)以百萬計微小單元的硅襯底上，成功抑制了金屬鋰的反應性。相較傳統(tǒng)的鋰離子二維陽極，三維襯底大大增加了陽極的表面積。XNRGI首席執(zhí)行官克里斯?德庫托（Chris D‘Couto）稱，使用金屬鋰代替化合物后，XNRGI陽極的容量是傳統(tǒng)石墨嵌鋰陽極的10倍。

公司預計今年開始小批量商業(yè)化生產鋰金屬電池，供應電動車和消費性電子產品客戶。XNRGI同時瞄準了電網(wǎng)存儲。

去年，該公司與加拿大初創(chuàng)公司Cross Border Power簽署合資企業(yè)協(xié)議，向北美的公用事業(yè)客戶銷售其電池產品。當然，新電池技術一直在不斷發(fā)布，包括本刊在內的科技期刊樂于報道這些新技術的潛力。

但實驗室中看起來前途無量甚至是革命性的電池，很少能真正投入市場。阿貢國家實驗室的儲能專家文卡特?斯里尼瓦桑（Venkat Srinivasan）認為，所有新電池的商業(yè)化前景都很復雜：“這取決于你要滿足什么樣的指標。”

對于電動汽車來說，理想電池的續(xù)航里程為幾百公里，充電時間以分鐘為單位，適于各種工作溫度，使用壽命可達10年，碰撞時保證安全，當然還有低成本。斯里尼瓦桑稱：“指標越多，新電池技術就越難全部滿足。這時候就需要妥協(xié)——也許有的電池可以使用10年，但續(xù)航里程有限，充電也不會那么快。”

不同的應用會有不同的指標，他補充道：“工業(yè)界只希望看到至少不遜于現(xiàn)有電池的產品。”

德庫托承認，XNRGI的電池實現(xiàn)商業(yè)化并非易事，但他認為，目前存在幾個有利因素。公司并非發(fā)明了新的制造方法，而是借鑒了芯片制造商用于制造集成電路的一些成熟可靠技術，包括在硅上蝕刻20微米×20微米的空腔以及應用薄膜。

因此，電池得名為“PowerChip”。

德庫托認為，每一個微觀單元都可以被視為微電池。

與鋰離子電池被刺穿而發(fā)生災難性故障不同，一個PowerChip電池單元故障不會影響周圍單元。這些單元似乎也阻止了線狀樹突的形成，避免造成電池故障。Enovix、Nexeon、Sila Nanotech-nologies和SiON Power等公司生產的鋰離子電池也用硅替代部分或全部陽極石墨，從而提高性能。在這些電池的陽極中，鋰嵌入硅中，形成Li15 Si4。

在XNRGI的PowerChip中，硅襯底具有導電涂層，可作為集流器和擴散壁壘，防止硅與鋰相互作用。德庫托稱，鋰金屬陽極的容量大約是硅嵌鋰陽極的5倍。XNRGI在多數(shù)時間專注于開發(fā)燃料電池，即尼亞電力系統(tǒng)（Neah Power Systems）。

燃料電池使用新型多孔硅襯底。但是燃料電池市場尚未起步，因此在2016年，公司獲得能源部許可，運用同一概念來制造鋰金屬電池。XNRGI增強陽極之后，繼續(xù)陰極設計試驗。

目前，公司正使用鈷酸鋰和鎳錳鈷制成的陰極，其電池容量是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍。

公司還利用客戶提供的陰極來制作電池樣品。德庫托說，硫等替代材料可以進一步提高陰極性能。

他表示：“沒有相應的高性能陰極，高性能陽極無法最大限度地發(fā)揮全部的電池潛力。”

斯里尼瓦桑稱：“很多人像我一樣夢想著有朝一日能徹底解決所有電池問題。希望那時每人都開電動汽車，每家每戶都有電力儲存電池，航空實現(xiàn)電氣化，但現(xiàn)在，我的手機電池沒電了。”

電池與生活一樣，總有改進空間。