腦洞！鋰硅晶圓鋰電池更安全！

鋰電池廣泛用于現代各種移動設備中，它具有質輕、高效、能量密度高等一系列其它電池無法比擬的優點。

然而，傳統鋰電池結構設計的固有缺陷與制造工藝都會使鋰電池具有不可戒備的安全隱患。得益于芯片制造技術，Enovix設計出了當前性能最好的鋰電池，制造該電池的技術有望改變整個鋰電池行業。

鋰電池是現代數字化革命的主力軍。它已經廣泛用于手機、筆記本電腦、汽車等一系列移動電子設備之中，是目前商業上最搶手的能量存儲系統之一。

相比于其它化學電池，鋰電池質輕、能量密度高，因此可以將體積做到很小置于現代各種便攜式移動設備。倘若沒有鋰電池，也就沒有現代如此先進的智能手機、筆記本電腦，電動車的將來也令人堪憂。

自鋰電池商業化以來，雖然它在商業上已經非常成功，但它依然有分明的缺點：成本依然很高;高溫下不穩定;能會爆炸或引發火災等。

去年就發生了一系列與鋰電池燃燒、爆炸有關的事件：筆記本電腦被燒毀，航班被取消，懸浮滑板在工作時起火。在美國，去年因為鋰電池起火，三星召回了價值高達50億美元的GalaxyNote7智能手機，并中止了該模型的持續使用，這使得三星的市值減少了數十億美元。

經過幾個月的測試，三星在今年一月宣布這些故障緊要來自于鋰電池的設計。傳統的鋰電池設計起源于特定的歷史背景，但是今天可以我們完全可以利用芯片制造制造工藝提高鋰電池的加工水平。

位于美國加州的Enovix公司已經表示，他們能夠加工比目前市場上體積更小、更便宜、更安全的鋰電池。

圖|Enovix硅鋰電池原型的剖面圖

Enovix成立于2007年，啟動資金來源于硅谷的幾家風險投資公司。該公司的第一個項目是，研究是不是能用硅代替石墨做可充電鋰電池的陽極材料。

2012年，該公司已開始加工比傳統鋰電池具有更高能量密度的電池，并在英特爾、高通和普拉斯半導體的戰略投資下，開始開發低成本、大批量的加工系統。

傳統的鋰電池設計起源于索尼公司加工磁帶的過程：

-磁帶是在塑料薄膜帶基上涂覆磁漿、干燥、切成長條形并卷起而制成。倘若將化學漿料涂在金屬箔上干燥并切片，就能成電極;

-然后，將兩個電極片中間夾一層聚合物電解質隔膜，在準許離子劉東宇電極之間的同時不準許電子通過;

-最后將整個堆疊而成的結構像壽司卷相同纏繞在一起，這就形成了圓柱形電池的緊要部分。

這種設計雖巧妙，但倘若要在此基礎上進一步提升電池性卻十分困難。這種設計很浪費空間，限制了能量密度，還會在材料選擇、組裝過程中留下安全隱患。

Enovix電池對此做出了緊要的改進：第一，使用硅晶圓光刻技術在硅晶圓上制造兩極;第二，將傳統鋰電池的陽極材料石墨換成了多孔硅。

圖|傳統鋰電池的內部橫截面視圖，電池陽極薄片、陰極薄片被聚合物隔膜分開，壓平并裝入金屬外殼中

在組裝好的傳統鋰電池中，儲存能量的材料僅限于構成陽極(負電極)和陰極(正電極)的顆粒。通常情況下，金屬箔集流體，電解質，封裝材料以及未利用的空間會占到電池總體積的40%，如此巨大的浪費很大程度上降低了電池的能量密度。

Enovix電池使用了來自芯片行業的硅晶圓光刻技術，在1毫米厚的硅晶圓上制造陰極，陽極和隔膜，這顯著地減少了浪費的空間。在這種電池中，75%的電池體積用于儲存能量，這比傳統電池新增了約25%的電容量。

類似地，關于給定容量的電池，電池重量會成比例地減少。體積通常是電池用于移動設備中更關鍵的約束。

圖|密集封裝：該鋰電池結構包括陰極、100%的硅陽極和陶瓷隔膜定向、交錯地排列在厚度為1毫米的薄平面上，顯著提高了電池能量密度和安全性來源：Jean-LucFortier

將電極集成到硅晶圓上，也會使電池的陰極安全。通常，陰極材料都有不同的工作溫度限制，當工作溫度超過臨界溫度，陰極材料就會自動分析，釋放出支持燃燒的氧。

倘若這個過程繼續發生，就可能造成起火或爆炸。而Enovix將陰極分成了成千上萬個由硅分離開來的微小部分，硅的導熱速度很快，于是降低了由熱擴散引起的起火爆炸的可能性。

使用硅作為鋰電池陽極也能減少故障發生的幾率。通常，離子從鋰金屬氧化物陰極流到石墨陽極(移動設備中的最普遍使用的陽極材料)的過程中也可能發生意外，而鋰離子位于石墨晶體點陣結構的空隙中。

但是，在電流較大、活性陽極材料局部缺或極端低溫的情況下，鋰離子都有可能遷移到石墨的表面上。因為金屬鋰傾向于以樹枝晶的結構積聚，所以在電池充電和放電的過程中，枝狀結晶會生長并最終刺穿隔膜造成短路，這也可能導致起火或爆炸。

而且，傳統的鋰電池過熱會變得不穩定，并可能發生熱致失效。

圖|熱致失效：磁性記錄帶加工技術加工的傳統鋰電池結構，該結構易受熱量的影響，可能出現爆炸或起火現象，進一步造成災難性的后果。1.熱量出現;2.保護層破壞;3.電解液分析成易燃氣體;4.隔膜熔化，可能造成短路;5.陰極破壞，出現氧圖片來源：llustration

硅陽極還有另一大優點:比容量大大地提高。關于傳統鋰電池而言，電池充電時，石墨陽極會吸收鋰離子形成碳化鋰(LiC6);電池放電時，鋰離子重新回到電解質中，而石墨的理論比容量約為372mAh/g。

倘若使用硅作為鋰電池陽極，硅能與鋰能形成Li22Si5合金，電池的理論比容量就能達到非常大的4200mAh/g。

然而，硅替代石墨后會引入另一麻煩：在硅吸收鋰后，硅的體積會迅速膨脹，最多可達原體積的4倍，這會使電池結構的完整性被破壞。

Enovix電池使用多孔硅處理了這一問題：在充放電的過程中，膨脹會使多孔硅材料的孔變得更小，而不至于使整個陽極膨脹，這就使得電池在重復充放電循環期間電池結構的完整性能夠得以保持。

這種控制陽極膨脹的能力是Enovix電池系統的關鍵優點之一，并超越了索尼率先開發的傳統鋰電池結構。相同體積條件下，Enovix電池容量可達傳統鋰電池容量的1.5-3倍。

平整的電池結構設計還帶大幅度提高了安全性。

該電池使用了更好的隔膜。在傳統的鋰電池中，隔膜通常由塑料或高分子材料制成，因為隔膜材料非得具有足夠的柔性，便于卷起。然而，塑料和隔膜在高溫下容易失效。然而這種平面設計準許電池采用陶瓷作為隔膜，新增了耐熱性，降低了失效的風險。

試驗聲明，上述的緊要改進不僅提高了鋰電池的容量，也基本上就消除了爆炸和起火的危險。

Enovix做了一個探測：將一個容量130mAh的傳統鋰電池和一個由他們制造的100mAh的硅鋰電池過度充電到各自容量的250%，然后進行標準的針刺探測。最終傳統的鋰電池著火，而硅鋰電池卻沒有起火。

Enovix的另一個試驗聲明，相同條件下，這種新型硅鋰電池比傳統鋰電池具有更高的容量。

圖|位于加利福尼亞州弗里蒙特的Enovix試點廠：標準的太陽能電池制造設備加工的3D硅晶圓來源：EnovixCorporation

該電池的制造技術大部分來源于芯片制造行業。而光刻和硅晶圓已不是第一次改變世界了。當電腦開始使用集成電路時，這一切該技術就已對技術進步出現深刻影響。

該技術也被用于加工發光二極管、陰極射線管、激光器、視頻顯示器等許多產品。使用來自計算機芯片制造中的該技術可能會徹底改變整個鋰電池行業。

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