XNRGI多孔硅鋰金屬電池即將實現商業化

鋰離子電池無所不在：電子產品、汽車、機器人和電網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。

該公司的研發團隊將金屬鋰沉積到覆有薄膜且蝕刻了數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陽極的容量是傳統石墨嵌鋰陽極的10倍。

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

去年，該公司與加拿大初創公司Cross Border Power簽署合資企業協議，向北美的公用事業客戶銷售其電池產品。當然，新電池技術一直在不斷發布，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——也許有的電池可以使用10年，但續航里程有限，充電也不會那么快。”

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

德庫托承認，XNRGI的電池實現商業化并非易事，但他認為，目前存在幾個有利因素。公司并非發明了新的制造方法，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在多數時間專注于開發燃料電池，即尼亞電力系統（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，航空實現電氣化，但現在，我的手機電池沒電了。”

電池與生活一樣，總有改進空間。