安普瑞斯,首个实现全硅负极锂电池的公司?

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在研发硅负极材料的公司里,安普瑞斯是一个先行者也是现在行业里的佼佼者。公司的创始人是美国斯坦福大学的华人教授崔毅,他的研究组在2008年的Nature子刊上发表了一篇使用硅纳米线作为锂电池负极材料的研究文章,至今已被引用超过6000多次。也就在同一年,他创立了安普瑞斯公司,准备将硅纳米线负极材料市场化。

 

在2008年那个时代,当别的研究人员还在钻研硅纳米颗粒的时候,崔毅教授已经看到了纳米颗粒的局限性——反复的膨胀收缩会最终导致颗粒破裂,于是提出了硅纳米线的概念。如下图所示,硅纳米线像金针菇一样被生长在导电金属箔上,当充电时吸收锂离子会变粗变长。由于其直径很小(比如89纳米),即使全部吸收满锂离子也只会增加到141纳米,膨胀比例远小于纳米颗粒,所以其循环充电稳定性远超硅纳米颗粒。同时,因为硅纳米线是直接从导电金属箔上生长出来的,所以其连接很稳固,经历多次充放电后也不会脱离金属箔,从而保持了良好的导电性。利用这样的硅纳米线负极,崔教授研究组成功测量到了硅材料的实际储能密度为每克4277毫安时,与理论推测的硅储能密度基本一致(每克4200毫安时)。

 

 

安普瑞斯公司在成立后的几年里潜心研发,2016年开始在中国无锡设厂生产含硅负极的锂电池,其能量密度超过当时同类型石墨负极电池的10%以上,主要供货给手机等移动设备。尽管安普瑞斯的美国官网早已宣称可生产含100%硅材料的负极电池,但根据这个性能来推断,当时在中国生产的电池可能还未完全实现100%硅负极材料,仍然是硅碳复合型材料。

 

 

同年,安普瑞斯美国公司宣布完成了快速生产线的验证工作。他们采用卷对卷(Roll-to-roll)流水线集成多个生产步骤,通过化学气相沉淀法直接在铜箔上生长三维硅纳米线负极材料。从公司官网公布的一张显微镜照片来看,这个工艺可以在一张铜箔的两侧分别生长出硅纳米线,形态非常均衡,说明在沉淀法的工艺控制上已做得非常好。据官网介绍,通过此工艺生产出来的硅纳米线负极厚度只有同类型石墨负极的一半左右,而且同时具备微观孔隙和宏观空隙。宏观空隙可以理解为不同纳米线之间的空间,微观孔隙则可能指单根纳米线内部也是中空结构,从而避免纳米线的过度膨胀对稳定性造成损害。

 

 

2018年,空中客车公司研发的高空太阳能无人机“和风号”采用了安普瑞斯的全硅负极电池,一次放飞能在2万米以上的高空持续飞行25天以上,创造了太阳能无人机续航时间的新纪录。“和风号”无人机利用太阳能为它的两个螺旋桨发动机提供动力,使它白天能完全依靠太阳能运转。在夜间,则依靠白天储存在机载电池里的能量继续飞行。由于使用了能量密度更高的全硅负极电池,其续航时间比之前最高的11天增加了一倍多。

 

 

从安普瑞斯提供的下列对比图可以看到,不同电池体系能量密度的差异很大。而含全硅负极的电池不管在重量能量密度,还是在体积能量密度的比较中都超过其他类型的电池,可以达到435 Wh/kg或1200 Wh/L以上。其体积能量密度的优势尤其明显,超过第二高的电池类型几乎一倍。

 

 

安普瑞斯从创立至今已有13年时间,前后一共融资了1.6亿美元,目前还未上市。随着其全硅负极流水线工艺的逐渐成熟,预计相应的产品也将迅速推出占领市场。就在2020年9月特斯拉举行第一次电池日之前,有流言说特斯拉很可能会收购安普瑞斯,并且很可能会在电池日当天宣布。这种猜测是基于以下两个线索:

 

1. 安普瑞斯公司搬到了特斯拉工厂的街对面。如下面的卫星图所示。

 

 

2. 特斯拉第一次电池日的宣传网页上,背景图似乎是一张硅纳米线的电子扫描电镜图。

 

 

但是,特斯拉在电池日当天并没有提及硅纳米线负极材料,也没有谈到任何与安普瑞斯有关的内容,让广大吃瓜群众扑了个空。但不管怎样,这样的猜测也从侧面证实了大家对硅纳米线负极的看好,以及对安普瑞斯公司前途的期待。

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2021年6月10日 11:16
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