随着全球对环境保护意识的不断提高，电动汽车(EVs)市场正迅速发展。然而，要实现EV的普及，关键在于电池技术的发展。特别是高能量密度的锂离子电池，其在电动汽车市场中的地位至关重要。
目前，商用锂电池通常采用石墨作为负极，正极材料则为磷酸铁锂或锂镍锰钴氧化物等多元锂盐。这类电池的实际比能量大约为 250Wh kg-1，难以满足下一代电池的需求。电动汽车市场迫切需要比能量更高的锂电池(>400Wh kg-1)，以实现更长的行驶里程(>500km)。
在过去的十多年里，硅基材料因其理论容量是石墨的近 10 倍而备受关注。然而，硅基材料在实际应用中面临三大主要挑战：
第一，硅是半导体，电导率较低。
第二，充放电过程中，硅的体积膨胀系数大(~300%)，存在安全隐患，易引发电池爆炸。
第三，体积膨胀导致电极材料表面的钝化层不稳定，循环性能差。
图丨锂离子电池发展历程(来源：Nature Communications)
这些问题限制了硅基材料在锂电池中的应用。因此，目前商业领域主要是在石墨中添加少量硅，制成复合负极材料，以提升锂电池的比能量。
近期，总部位于美国密歇根州的新能源材料公司 Paraclete Energy 宣布，推出一种名为 SILO Silicon™ 的革命性硅负极材料，有望改变锂离子电池市场，尤其是电动汽车电池领域。
这种创新技术提供了更高的能量密度和成本效益，可以使电动汽车的续航里程更长、充电速度更快、成本更低。
复合材料采用聚合物基质，提高了负极复合材料中的硅含量，其能量密度比传统石墨负极高出 300%。
Paraclete Energy 计划于 2024 年第四季度开始交付 SILO Silicon™ 负极材料，其预计，“比竞争对手项目提前了数年”。
图丨SILO Silicon™ 负极材料(来源：Paraclete Energy)
美国的电池制造商更专注于磷酸铁锂电池，因此，该公司计划使用 SILO Silicon™ 材料替代磷酸铁锂电池中常用的传统石墨负极。
据估算，该材料的电池成本为每千瓦时 35 美元，而目前同类电池的成本约为 53 美元/千瓦时。
图丨SILO Silicon™ 负极材料成本对比(来源：资料图)
据公司相关资料，SILO Silicon™ 的能量密度可达到 520Wh/kg，“远超传统石墨负极”，性能是商用材料的 3 倍。
更高的能量密度使电池在同等重量下能够提供更多能量，非常适合电动汽车和固定储能应用。
该公司致力于突破电池技术的限制，迎合全球向可再生能源转型以及对高效、经济实惠能源存储解决方案的日益增长的需求。
Paraclete Energy 的 CEO 杰夫·诺里斯(Jeff Norris)对媒体表示：“我们的 SILO 硅正极技术代表了经济高效、高性能储能的未来，不仅能显著降低成本，还为电动汽车和固定储能的快速应用设立了新的标准。”
图丨SILO Silicon™ 负极材料能量密度对比(来源：资料图)
虽然公司尚未公布具体的负极配方，但在产品说明书中引用了美国阿贡国家实验室的研究结果。
数据显示，SILO Silicon™ 材料的硅含量高达 83%。而目前商用硅基负极材料普遍采用昂贵的高温工艺，硅含量普遍低于 20%，其余成分主要为碳基质，含量大于 80%，用于稳定硅材料，减少电极膨胀。
Paraclete Energy 公司的 SILO Silicon™ 材料中，硅含量大幅提高的原因，得益于先进的材料科学和优化的制造工艺。
SILO Silicon™ 采用一种廉价的聚合物基质，将直径约 150 纳米的硅颗粒，封装在直径为 5 到 7 微米的聚合物微球中。
利用高分子交联性、弹性和多孔性，将电极膨胀率控制在低于 4% 的水平，有效解决了硅基材料膨胀带来的问题，满足锂离子电池的安全要求。
多孔聚合物微球使电极材料具有高离子导电性，且电极钝化层可以在微球表面形成，避免了硅纳米颗粒膨胀对钝化层稳定性的影响，成功解决了硅基负极的三个主要挑战。
此外，该材料的全电池倍率性能可以从 1C 提升到 8C，最快在 7.5 分钟内充满电，并通过降低恒流充电循环中的过电位，提高 6C 循环的容量保持率，首次库伦效率达到 90%。
诺里斯对媒体表示：“我们在 2021 年底开始与客户进行测试，目前正在进行第三和第四轮的性能优化。由于不同正极材料的电压范围不同，我们必须将其与硅负极进行匹配。”
目前，SILO Silicon™ 材料可以使现有电池组的续航里程超过 1000 公里。实际测试中，充放电循环次数超过 1000 次。
“这项技术满足了目前市场的关键需求，提供更长的续航里程、更快的充电速度和更低的成本——所有这些都是加速电动汽车普及的重要因素。”诺里斯对媒体说。
总之，SILO Silicon硅负极材料的推出为锂离子电池市场带来了新的发展机遇，有望推动电动汽车和可再生能源领域的技术进步。随着新能源汽车市场的不断扩大，我们有理由期待这一创新材料在未来发挥更大的作用。
参考资料：
1. G. G. Eshetu, et al., Production of high-energy Li-ion batteries comprising silicon-containing anodes and insertion-type cathodes. Nature Communications 2021, 12, 5459.
2. https://www.paracleteenergy.com/
3.https://www.electrive.com/2024/08/19/paraclete-announces-battery-density-breakthrough/
4.https://www.electrive.com/2024/07/31/new-battery-material-supplier-hits-the-us-market/
5.https://www.paracleteenergy.com/2024/08/14/paraclete-energy-achieves-cost-effective-energy-storage-at-35-kwh-vs-lfp-at-53-kwh/
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