文丨智駕網(wǎng) 黃華丹
比特斯拉4680的能量密度還高50%！
外媒消息，美國創(chuàng)業(yè)公司Amprius已生產(chǎn)其第一批高能量密度鋰電池，其電芯能量密度達(dá)到 450 Wh/kg，1150 Wh/L 。
作為參照，備受矚目的特斯拉4680電池，作為目前高能量密度、低成本電池的代表，其電芯能量密度約為300Wh/kg。
而數(shù)據(jù)顯示，2021年三元鋰電池普遍能量密度徘徊在150Wh/kg左右。
顧名思義，能量密度越高，根據(jù)所使用的單位，儲存同樣電量的電池重量或體積就越小。
在一輛車留給電池的空間或重量確定的前提下，能量密度越高，儲存電量就越多，續(xù)航里程也就越長。
就當(dāng)前形勢而言，能量密度幾乎是目前電池行業(yè)，甚至是電動汽車行業(yè)向前大跨步最明顯的突破口。
但要實現(xiàn)這個突破并不容易。
而Amprius，這家?guī)缀趺灰娊?jīng)傳的創(chuàng)業(yè)公司憑什么能實現(xiàn)質(zhì)的跨越？
其秘訣就在于Amprius使用的硅納米線負(fù)極材料。
為什么使用硅納米線負(fù)極材料能實現(xiàn)能量密度的大幅提升？
硅納米線技術(shù)原理
要解答這個問題，我們先來看一下鋰離子動力電池的結(jié)構(gòu)。
鋰離子動力電池一般由負(fù)極集流體，負(fù)極，隔膜，正極，正極集流體，極耳，電解液，絕緣片，外殼等構(gòu)成。
鋰電池的運(yùn)作原理是：
充電時，正極上的鋰原子脫去電子，被氧化成鋰離子，然后在電解液中運(yùn)動，跑到負(fù)極，與流經(jīng)外部電源的電子互相結(jié)合，還原成鋰原子，嵌入到負(fù)極材料的微孔中。
而放電則是一個相反的過程。鑲嵌在負(fù)極材料中的鋰原子脫去電子，被氧化成鋰離子，回到電解液中，運(yùn)動到正極，與流經(jīng)的電子結(jié)合，再度還原成鋰原子。
因而，提高正負(fù)極材料中嵌入的鋰原子量也就能提高整個電芯的儲電量。
正極材料常見的有鎳鈷錳酸鋰和磷酸鐵鋰，也就是常說的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。
而當(dāng)前的負(fù)極材料則以石墨為主，也有部分使用鈦酸鋰和硅基材料。
目前以石墨為主的碳負(fù)極材料克容量達(dá)到360mAh/g，已經(jīng)非常接近理論克容量（372mAh/g），提升空間不大。
而硅基負(fù)極材料的克容量達(dá)3500mAh/g，其儲鋰能力幾乎達(dá)到碳材料的10倍。
理論上使用硅基負(fù)極材料的鋰電池能量密度可達(dá)到碳材料鋰電池的十倍。
但問題在于，放入電池中的硅會在充電過程中吸收帶正電的鋰原子而膨脹，然后在使用過程中隨著鋰從硅中抽出而收縮。這種膨脹/收縮循環(huán)通常會導(dǎo)致硅（通常以顆粒或薄膜的形式）粉碎，從而降低電池性能。
為解決這個問題，Amprius使用了硅納米線技術(shù)。
什么是硅納米線技術(shù)？
Amprius的硅納米線技術(shù)是在電池極片上直接生長硅納米線，其在吸收鋰原子后膨脹至正常體積的四倍，但不同于一般的硅結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的硅材料可以通過軸向膨脹很好的釋放應(yīng)力，不會造成納米線的龜裂或破損，從而阻止了電極的粉末化。
此外，使用硅納米線的負(fù)極厚度僅為碳材料負(fù)極厚度的一半。
由于硅是能量密度最好的材料，因而使用100%硅材料意味著可以實現(xiàn)最高能量密度的鋰離子電池。
而且，Amprius的硅納米線電池具有出色的循環(huán)壽命，這在包括美國國家實驗室和主要航空航天公司在內(nèi)的多個組織的實際使用中已得到證明。
Amprius此次生產(chǎn)的第一批硅納米線鋰電池將供應(yīng)給一家高空偽衛(wèi)星公司。
緣起與應(yīng)用
Amprius的硅納米線技術(shù)源自斯坦福。
2007年，時為斯坦福材料科學(xué)與工程系助理教授的崔屹在Nature Nanotechnology上發(fā)布了一篇題為《使用硅納米線的高性能鋰電池負(fù)極（High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires）》的論文，詳細(xì)闡釋了硅納米線技術(shù)在鋰電池中的應(yīng)用。
2008年，崔屹與資深風(fēng)投合伙人Mark Platshon共同成立Amprius（安普瑞斯）。其董事會成員包括諾貝爾獎得主、前美國能源部長朱棣文。
如今，年僅四十多歲的崔屹不僅是斯坦福終身教授，還是四家創(chuàng)業(yè)公司的創(chuàng)始人。
Amprius總部位于硅谷，并在無錫與政府旗下的投資公司無錫工業(yè)發(fā)展集團(tuán)合資建立大型電池工廠安普瑞斯（無錫）有限公司。
Amprius的投資人包括硅谷風(fēng)投公司Trident Capital和Kleiner Perkins、中國私募股權(quán)公司軟銀賽富、斯坦福大學(xué)、空客（Airbus）等。此外，谷歌前CEOEric Schmidt也是公司投資人之一。
公司現(xiàn)任CEO孫康博士曾擔(dān)任霍尼韋爾副總裁，并協(xié)助組建了晶澳太陽能有限公司，后者目前是全球最大的太陽能電板制造商。
2021年12月，Amprius宣布在電池充電效率方面取得突破，只需 6 分鐘即可實現(xiàn) 0% 至 80% 的充電率。公司正在努力實現(xiàn)每年數(shù)百兆瓦時的電池量產(chǎn)率，并預(yù)計將在 2024 年開始大規(guī)模生產(chǎn)。
其COO Jon Bornstein表示，具有450Wh/kg高能量密度的鋰電池將支持具有更高功率需求的航空航天產(chǎn)品，包括新的eVTOL飛機(jī)（Electric Vertical Takeoff and Landing，電動垂直起降，也稱為飛行汽車），可延長飛行續(xù)航時間。此外，他還表示，Amprius預(yù)計將在今年晚些時候生產(chǎn)出首批 500 Wh/kg 的電池。
Bornstein還表示，Amprius正在為無人機(jī)應(yīng)用開發(fā)電芯，并且已與一家未公開的航空公司簽訂合同。此前，Amprius就已為空客的Zephyr太陽能無人機(jī)供應(yīng)電池。
此外，據(jù)《財富》報道，美國軍方也在使用Amprius的電池測試其在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用。
而空客的合約對Amprius來說既是救生索，也是警示牌?！拔覀兘o空客開出了天價，... 這種價格是不可持續(xù)的?！盋EO孫康表示。
如果要大規(guī)模應(yīng)用在乘用車上，昂貴的成本顯然是不可接受的。
在2020年8月的特斯拉電池日之前，馬斯克在推特上表示特斯拉會在3-4年內(nèi)批量生產(chǎn)壽命更長、而且能量密度提高50%也就是達(dá)到400wh/kg的電池，當(dāng)時Model 3使用的松下 2170 電池電芯能量密度為260wh/kg。
隨后，特斯拉更是于9 月 19 日在電池日活動注冊頁面上用了硅納米線結(jié)構(gòu)圖作為背景圖片。
加之Amprius的公司地址就在特斯拉對面，彼時關(guān)于特斯拉將要收購Amprius的猜測一時四起。
但在電池日當(dāng)天，這一技術(shù)并未亮相。
馬斯克更是在推特上直言，特斯拉與Amprius之間什么都沒發(fā)生。
對于馬斯克來說，成本始終是其考慮的首要因素之一。
據(jù)華寶證券數(shù)據(jù)，目前420-450mAh/g 容量的硅基負(fù)極材料(由硅基材料與石墨混合而成)市價在11-15萬/噸之間，中間值約為12 萬/噸，而高端石墨的價格僅有7-8 萬/噸。
也許當(dāng)使用硅基材料作為負(fù)極材料的成本能控制到與石墨不相上下時，Amprius與特斯拉之間終歸會發(fā)生點什么。
動力電池的未來：固態(tài)電池還是硅納米線負(fù)極？
業(yè)界普遍認(rèn)為，目前鋰離子電池的發(fā)展已經(jīng)到了極限。想要進(jìn)一步提高續(xù)航里程，勢必要在技術(shù)上進(jìn)行大的革新。
與Amprius發(fā)布的硅納米線負(fù)極電池一樣，此前業(yè)界熱傳的固態(tài)電池一大目的也是為了提升能量密度。
一般認(rèn)為液態(tài)鋰電池的能量密度達(dá)到300Wh/kg已經(jīng)是非常出色的表現(xiàn)，而固態(tài)電池普遍可以達(dá)到300-400Wh/kg。
固態(tài)電池與目前主流傳統(tǒng)鋰離子電池最大的不同在于電解質(zhì)，它是用固體電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。
除了能量密度高，由于固態(tài)電解質(zhì)可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無電解液走漏、不會在高溫下發(fā)生副反應(yīng)等，固態(tài)電池具有更高的安全性。
而且，由于固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問題和鋰枝晶現(xiàn)象，還可大大提升鋰電池的循環(huán)性和使用壽命。
但是，雖然固態(tài)電池的優(yōu)點非常明顯，其缺點也是致命的，并直接導(dǎo)致了固態(tài)電池的量產(chǎn)困難。
由于固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間是以固態(tài)狀態(tài)存在聯(lián)系的，電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱。而且離子在固體物質(zhì)中傳輸動力低，因而會造成界面阻抗過大的問題。
另一個問題依然是成本過高。
業(yè)界普遍認(rèn)為，固態(tài)動力電池要實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，至少需要在2025年之后才可能實現(xiàn)。
而今天，Amprius已憑借其硅納米線技術(shù)成功生產(chǎn)第一批能量密度達(dá)到450Wh/kg的新一代鋰電池。
雖然也許還無法做到低成本量產(chǎn)，但這無疑也為行業(yè)提供了另一種可能的方案。
動力電池后續(xù)將會怎樣發(fā)展，且讓我們拭目以待。