CalBattery推出硅-石墨烯鋰電池正極材料

加利福尼亞鋰電池研究小組與美國阿貢國家實驗室聯合推出了第三代硅-石墨烯復合陽極材料，并采用先進的陰極材料和電解液溶劑，其能量密度達到525瓦時/千克，電池負極容量為1250毫安時/克。

    今年早些時候，加利福尼亞電池研究小組與美國阿貢國家實驗室共同研發鋰電池，結合硅-石墨烯正極材料和其他先進的電池材料制造出了容量超過400安時的方形蓄電池，將應用于電動車領域上。

    阿貢實驗室的技術需要使用先進的氣相沉積法，從理論上來說，它是很簡單的：兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內，然后他們相互之間發生化學反應，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是一個很好的例子，它是由硅烷和氮反應形成的。然而，實際上， 反應室中的反應是很復雜的，有很多必須考慮的因素，沉積參數的變化范圍是很寬的：反應室內的壓力、晶片的溫度、氣體的流動速率、氣體通過晶片的路程(如圖所示)、氣體的化學成份、一種氣體相對于另一種氣體的比率、反應的中間產品起的作用、以及是否需要其它反應室外的外部能量來源加速或誘發想得到的反應等。額外能量來源諸如等離子體能量，當然會產生一整套新變數，如離子與中性氣流的比率，離子能和晶片上的射頻偏壓等。

    在鋰電池中該方法的應用過程為：將納米硅粒子嵌入到石墨烯層中。這個方法使得在不增加電池容量的情況下，大幅增大了電池陽極的能量密度，解決了鋰電池第一次充電缺乏效率以及隨著充電次數增加容量變小的問題。

    實驗室進行了獨立完整電池單元測試，測試結果表明其能量密度提高了近3倍，電池正極容量提高了近4倍。目前市場上鋰電池的能量密度為100-180瓦時/千克，而正極容量為325毫安時/克。

    這款鋰電池的關鍵技術就是采用了阿貢實驗室的硅-石墨烯加工工藝，使電池正極的硅粒子在使用時趨于穩定（其原本的特性是：體積會隨著充電放電過程而急劇變化），達到高水平工作效率。雖然硅粒子吸收鋰離子的能力相比其他材料提高了近10倍，但是他在充放電過程中的性能退化也非常明顯。近幾年正是在研究新的正極材料、電解液溶劑，使其能充分吸收鋰離子以達到高效的目的。

    美國阿貢實驗室表示，先進的陽極材料最終能夠代替傳統的基于石墨烯的材料，成為現今鋰電池正極的新型材料。復合正極材料能夠與目前大部分新推出的鋰電池的負極材料和電解液溶劑兼容，提升電池性能，降低鋰電池充放電循環的成本。

    未來的兩年內，該聯合研究小組計劃將硅-石墨烯復合正極材料廣泛應用于全球的鋰電池上；并在美國進行小規模生產用于高端產業上。

    加利福尼亞鋰電池研究小組CEO Phil Roberts表示：“我們相信我們先進的硅-石墨烯復合正極材料在儲能容量和延長電池循環壽命上有良好的表現，并將會在未來2-3年內代替目前的硅材料成為大部分鋰電池正極的材料。