最近，总部坐落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，特别是电动汽车电池范围。
伴随全球对环境保护意识的不断提升，电动汽车(EVs)市场正飞速进步。然而，要达成EV的普及，重点在于电池技术的进步。尤其是高能量密度的锂离子电池，其在电动车市中的地位至关要紧。
现在，商用锂电池一般使用石墨作为负极，正极材料则为磷酸铁锂或锂镍锰钴氧化物等多元锂盐。这种电池的实质比能量大约为 250Wh kg-1，不能满足下一代电池的需要。电动车市迫切需要比能量更高的锂电池(>400Wh kg-1)，以达成更长的行驶里程(>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，硅基材料在实质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，体积膨胀致使电极材料表面的钝化层不稳定，循环性能差。
图丨锂离子电池进步经历(来源：Nature Communications)
这类问题限制了硅基材料在锂电池中的应用。因此，现在商业范围主如果在石墨中添加少量硅，制成复合负极材料，以提高锂电池的比能量。
最近，总部坐落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，特别是电动汽车电池范围。
这种革新技术提供了更高的能量密度和本钱效益，可以使电动汽车的续航里程更长、充电速度更快、本钱更低。
复合材料使用聚合物基质，提升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 年第四季度开始出货 SILO Silicon™ 负极材料，其预计，“比角逐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，该公司计划用 SILO Silicon™ 材料替代磷酸铁锂电池中常见的传统石墨负极。
据估算，该材料的电池本钱为每千瓦时 35 USD，而现在相同种类电池的本钱约为 53 USD/千瓦时。
图丨SILO Silicon™ 负极材料本钱对比(来源：资料图)
据公司有关资料，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可以提供更多能量，很合适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与对高效、经济便宜能源存储解决方法的日益增长的需要。
Paraclete Energy 的 CEO 杰夫·诺里斯(Jeff Norris)对媒体表示：“大家的 SILO 硅正极技术代表了经济高效、高性能储能的将来，不只能显著减少本钱，还为电动汽车和固定储能的迅速应用设立了新的规范。”
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，但在商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%。而现在商用硅基负极材料常见使用昂贵的高温工艺，硅含量常见低于 20%，其余成分主要为碳基质，含量大于 80%，用于稳定硅材料，降低电极膨胀。
Paraclete Energy 企业的 SILO Silicon™ 材料中，硅含量大幅提升是什么原因，得益于一流的材料科学和优化的制造工艺。
SILO Silicon™ 使用一种便宜的聚合物基质，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。
借助高分子交联性、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需要。
多孔聚合物微球使电极材料具备高离子导电性，且电极钝化层可以在微球表面形成，防止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。
除此之外，该材料的全电池倍率性能可以从 1C 提高到 8C，最快在 7.5 分钟内充满电，并通过减少恒流充电循环中的过电位，提升 6C 循环的容量维持率，初次库伦效率达到 90%。
诺里斯对媒体表示：“大家在 2021 年底开始与顾客进行测试，现在正在进行第三和第四轮的性能优化。因为不同正极材料的电压范围不同，大家需要将它与硅负极进行匹配。”
现在，SILO Silicon™ 材料可以使现有电池组的续航里程超越 1000 公里。实质测试中，充放电循环次数超越 1000 次。
“这项技术满足了现在市场的重点需要，提供更长的续航里程、更快的充电速度和更低的本钱——所有这类都是加速电动汽车普及的要紧原因。”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进步机会，有望推进电动汽车和可再生能源范围的技术进步。伴随新能源车市的不断扩大，大家有理由期待这一革新材料在将来发挥更大有哪些用途。
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-cosplayt-effective-energy-storage-at-35-kwh-vs-lfp-at-53-kwh/
