技术灵感竟然来自半导体？

万博 发自 副驾寺

智能车参考 | 公众号 AI4Auto

硅负极锂电池，迎来一则最新进展：

美国电池制造商Enovix，在一块0.27Ah的硅负极动力电池单元上，成功实现0-80%充电只用5.2分钟；0-98%充电在10分钟以下的6C快充。

比美国先进电池联盟（USABC）目前快充目标减少近2/3。

而且，这个数据还是在保证电池寿命的前提下实现的，官方循环寿命数据：

1000次循环后电池容量还能保持在93%，而目前主流的三元锂电池1000次循环后，容量只能剩下80%左右。

在理论上证明了硅负极锂电池，快充和电池循环兼得的可行性。

而这背后的技术，正是Enovix的看家专利：3D Silicon电池结构。

兼顾使用寿命和速度，如何做到？

Enovix在官方的新闻稿中给出2大关键信息：

硅负极材料，以及Enovix的独家专利：3D Silicon电池结构。

先说硅负极材料。

众所周知的是，相比目前主流的石墨负极材料，硅基负极材料有2大优势：

首先，单位容量高，数据显示，采用硅作为负极材料的锂电池，理论容量可以达到4200mAh/g，相比之下，目前主流的锂电池单位容量则为365mAh/g，两者差距在10倍以上。

用“电池容量=单位能量密度×体积/质量”的公式简单推导，意味着硅基电池的能量密度也可以达到石墨负极材料的10倍以上。

其次，也是经济和环境方面的优势，硅材料在地球的矿物储量中极为丰富，而且本身对环境更为友好。

最后，石墨负极锂电池在充放电过程中，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，这也是影响锂电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，硅负极电池也被看作未来锂电池的发展方向。

“未来”，代表趋势，也代表还有未解决的问题，具体到硅负极电池而言，想要成功在电动车领域商业化，还要扫除1个最重要的障碍：

首先，充电膨胀问题，数据显示，硅嵌锂形成硅锂合金化合物的过程中，体积膨胀可以达到300%-400%，远远高于石墨负极材料电池。

这种特性有2个隐患：

硅负极电池在充电过程中会导致硅材料和导电剂脱离，导电性降低，结果是电池容量快速衰减，降低循环寿命；

巨大的膨胀变化会使电极膜变大开裂，最终使活性材料从集流体上脱落，导致电池内阻增加，发热量加大，带来严重的电池安全问题。

所以综合来看，硅负极材料优势很明显，电池容量和能量密度有巨大优势，但劣势同样明显：寿命短。

这两个问题，从当下纯电动车动力电池的需求角度看，几乎就是原罪。

所以，Enovix如何解决？

这里就要讲到第二个关键点：3D Silicon电池结构。

先说传统的缠绕式电池结构，是将电池正负极以及隔膜叠加起来，然后像卷纸一样卷起来，差不多就是下面的样子：

传统结构的缺点在于，为了避免电池内部出现短路，一般会将隔膜做的比正负极更宽，浪费了储能的空间。

而3D Silicon电池结构，是这样的：

根据官方信息，这种结构设计参考了芯片的制造工艺。

具体来看，就是用一块1毫米厚的硅片来做电池，用光刻的方式在硅片上制造凹槽，然后在凹槽中用电镀的方式镀上电池的导电层，然后在凹槽中再填充正极材料和隔膜。

官方数据显示，这种结构，能将储能物质的空间利用率提升至75%，可以在单位容量上减小电池体积。

除了容积的提升，这种电池结构更大的优势在于，在保证高能量密度和快充速率的基础上，提升了硅负极电池的循环次数和使用安全。

而这方面，Enovix并未透露，但我们在查阅Enovix相关的论文和专利时，发现了2个关键点：

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。

具体来说，就是在多个电池板叠加的情况下，在连接每个单元的母线设定一个固定的电阻，这样在内部短路的情况下，就可以通过BrakeFlow调节通过短路处的电流，限制让短路区域过热出现热失控的情况。

但这个BrakeFlow的发生机制和背后原理，Enovix官方并未透露。

最后一个问题，基于硅负极材料和独特的电池结构设计，硅负极电池具体表现怎么样？

Enovix放出了实验结果：

基于一块0.27Ah的电池单元，在4.2–2.5V电压，6C充电倍率（电池容量的6倍）的情况下，实现了0-80%充电时间5.2分钟，98%电量以上的充电时间保持在10分钟以内。

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电池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电池，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。

Enovix是谁？

说完技术，背后的Enovix需要关注和起底。

官方信息显示，Enovix是一家美国电池制造商，成立于2007年，总部位于加州。核心创始团队有3人，有意思的是，这3人在创立Enovix之前，没有一个人的背景与电池有关，反倒是供职于同一家公司：

FormFactor，一家半导体产品的制造商。

现在也能够理解，Enovix为什么会用造芯片的思路造电池了吧。

其中，联合创始人兼CEO哈罗德-拉斯特（Harrold Rust），曾在斯坦福大学获得机械工程硕士学位，是Enovix的商业掌舵人，在FormFactor之前，曾在IBM供职，领导IBM在亚洲、中美洲和欧洲的全球磁盘驱动头业务的财务计划责任。

联合创始人兼CTO阿肖克-拉希里（Ashok Lahiri），是Enovix的技术核心，Enovix 3D电池结构相关的大多数专利，都有他的参与。

而且需要注意的是，拉希里在FormFactor供职期间，主要的任务，就是优化芯片硅基板的结构，这也为其后来开发3D电池结构打下基础。

联合创始人兼副总裁穆拉里-拉马苏布拉姆尼安（Murali Ramasubramanian），曾经在FormFactor负责新材料和结构的研究开发，曾经主导了FormFactor半导体晶圆测试的三维MEMS接触技术研发。

商业模式方面，Enovix在电池领域最先打入的赛道是小型电子设备，包括可穿戴设备以及3C消费电子等。

而以可穿戴设备作为突破点的原因，据官方招股书披露，是基于成本的考量，可穿戴设备行业对电池成本不那么敏感，但对于能量密度要求更高，这也契合硅负极电池的优势。

截止到目前，Enovix成品电池的能量密度已经可以达到900Wh/L，同时已经通过深度循环500次的测试。

对于后续的规划，因为消费类电子的市场规模远不足电动车市场，Enovix计划通过3D电池结构技术，在2023-2024年进入动力电池领域，目前已经在相关业务上与三菱汽车达到合作。

融资进展上，截止到2020年初，Enovix已经进行了6轮累计近2亿美元的融资：

• 2007年3月，A轮融资230万美元，投资方为DCM Ventures；
• 2008年9月，B轮融资1200万美元，投资方为Trinity Ventures；
• 2012年3月，C轮融资1500万美元，投资方为DCM Ventures和Sofinnova Investments；
• 2016年4月，D轮融资1亿美元，由英特尔领投，Qualcomm，Cypress赛普拉斯半导体跟投；
• 2018年8月，获得1700万美元风投资金，投资方不详；
• 2020年3月，获得E轮融资4500万美元，由赛普拉斯半导体创始人T·J·Rodgers个人投资。

从投资人来看，Enovix有英特尔这样的巨头，也有赛普拉斯这样的半导体公司，但唯独没有主机厂的投资。

2021年2月，Enovix通过SPAC合并借壳上市，融资金额4.05亿美元，估值11亿美元。截止到上周五，Enovix股价报11.12美元/股，市值达到17.44亿美元。

国内硅负极电池有啥进展？

目光再说回国内，硅负极电池研发，现在什么景象？

就目前来说，硅负极电池已经成为电池制造商和主机厂重点发力的领域，但从技术路线来说，国内主要是在材料进行突破，而不是电池结构。

以广汽的海绵硅负极片电池技术为代表，分别是在电极材料、粘合剂和修复技术上入手，具体来看：

首先是通过纳米复合硅技术，将硅材料控制在纳米尺度，并在表面覆盖保护层用以控制微观状态，同时避免硅元素与电解液的直接接触，从而控制充放电过程中的体积膨胀。

其次是在极片连接上采用具有自修复功能的粘合剂技术，让破损的硅负极可以在膨胀收缩过程中得以自我修补，保证电极结构稳定性。

最后是梯度复合涂布技术，通过硅负极极片活性组分与非活性缓冲组分的梯度分布设计，大幅提升了活性层与集流体的结合力，改善了负极极片本体的结构稳定性。

除此之外，商业化方面，则是以贝特瑞、国轩高科等电池产业链玩家走在前面。

其中贝特瑞已经在2013年实现硅负极材料的商业化，是国内最早量产硅负极材料的企业之一，就在不久前，贝特瑞还在深圳投资建设了年产4万吨的硅负极材料生产线。

国轩高科则是在2016年投建5000吨硅基材料项目，并在去年年初发布210Wh/kg软包磷酸铁锂电芯，宣布首次在磷酸铁锂化学体系中成功应用硅负极材料。