利用芯片技术告别“炸药包”问题 硅晶圆锂电池是什么鬼？

    Enovix电池使用了来自芯片行业的硅晶圆光刻技术，在1毫米厚的硅晶圆上制造阴极，阳极和隔膜，这显著地减少了浪费的空间。在这种电池中，75％的电池体积用于储存能量，这比传统电池增加了约25％的电容量。

       类似地，对于给定容量的电池，电池重量会成比例地减少。体积通常是电池用于移动设备中更关键的约束。

图 | 密集封装：该锂电池结构包括阴极、100%的硅阳极和陶瓷隔膜定向、

交错地排列在厚度为1毫米的薄平面上，显著提高了电池能量密度和安全性

       将电极集成到硅晶圆上，也会使电池的阴极安全。通常，阴极材料都有不同的工作温度限制，当工作温度超过临界温度，阴极材料就会自动分解，释放出支持燃烧的氧。

       如果这个过程持续发生，就可能造成起火或爆炸。而Enovix将阴极分成了成千上万个由硅分离开来的微小部分，硅的导热速度很快，于是降低了由热扩散引起的起火爆炸的可能性。

       使用硅作为锂电池阳极也能减少故障发生的几率。通常，离子从锂金属氧化物阴极流到石墨阳极（移动设备中的最普遍使用的阳极材料）的过程中也可能发生意外，而锂离子位于石墨晶体点阵结构的空隙中。

       但是，在电流较大、活性阳极材料局部缺或极端低温的情况下，锂离子都有可能迁移到石墨的表面上。因为金属锂倾向于以树枝晶的结构积聚，所以在电池充电和放电的过程中，枝状结晶会生长并最终刺穿隔膜造成短路，这也可能导致起火或爆炸。

       而且，传统的锂电池过热会变得不稳定，并可能发生热致失效。

图 | 热致失效：磁性记录带生产技术生产的传统锂电池结构，该结构易受热量的影响，可能产生爆炸或起火现象，进一步造成灾难性的后果。

1.热量产生；2.保护层破坏；3. 电解液分解成易燃气体；4.隔膜熔化，可能造成短路；5.阴极破坏，产生氧  图片来源：llustration

       硅阳极还有另一大优势:比容量大大地提高。对于传统锂电池而言，电池充电时，石墨阳极会吸收锂离子形成碳化锂（LiC6）；电池放电时，锂离子重新回到电解质中，而石墨的理论比容量约为372mAh/g。

       如果使用硅作为锂电池阳极，硅能与锂能形成Li22Si5合金，电池的理论比容量就能达到非常大的4200mAh/g。

       然而，硅替代石墨后会引入另一麻烦：在硅吸收锂后，硅的体积会迅速膨胀，最多可达原体积的4倍，这会使电池结构的完整性被破坏。

       Enovix电池使用多孔硅解决了这一问题：在充放电的过程中，膨胀会使多孔硅材料的孔变得更小，而不至于使整个阳极膨胀，这就使得电池在重复充放电循环期间电池结构的完整性能够得以保持。

       这种控制阳极膨胀的能力是Enovix电池系统的关键优势之一，并超越了索尼率先开发的传统锂离子电池结构。相同体积条件下，Enovix电池容量可达传统锂电池容量的1.5-3倍。

       平整的电池结构设计还带大幅度提高了安全性。

       该电池使用了更好的隔膜。在传统的锂电池中，隔膜通常由塑料或高分子材料制成，因为隔膜材料必须具有足够的柔性，便于卷起。然而，塑料和隔膜在高温下容易失效。然而这种平面设计允许电池采用陶瓷作为隔膜，增加了耐热性，降低了失效的风险。

       实验表明，上述的重要改进不仅提高了锂电池的容量，也基本上就消除了爆炸和起火的危险。

       Enovix做了一个测试：将一个容量130mAh的传统锂电池和一个由他们制造的100mAh的硅锂电池过度充电到各自容量的250%，然后进行标准的针刺测试。最终传统的锂离子电池着火，而硅锂离子电池却没有起火。

       Enovix的另一个实验表明，相同条件下，这种新型硅锂电池比传统锂电池具有更高的容量。

图 | 位于加利福尼亚州弗里蒙特的Enovix试点厂：

标准的太阳能电池制造设备生产的3D硅晶圆  

来源：Enovix Corporation

       该电池的制造技术大部分来源于芯片制造行业。而光刻和硅晶圆已不是第一次改变世界了。当电脑开始使用集成电路时，这一切该技术就已对技术进步产生深刻影响。

       该技术也被用于生产发光二极管、阴极射线管、激光器、视频显示器等许多产品。使用来自计算机芯片制造中的该技术可能会彻底改变整个锂电池行业。