锂离子电池自诞生以来, 其基本结构几乎没有发生改变. 现在所有的锂离子电池结构都是基于索尼当年设计的三明治结构, 电池主要由正极薄片和负极薄片组成, 为了防止正负极之间短路, 正负极极片之间需要加入一层多孔结构的聚合物隔膜, 以便让Li+穿过隔膜在正负极之间移动. 这种结构设计可以说是恰到好处, 以至于二十多年来锂离子电池的结构都没有发生大的改变, 但是这种结构其实存许多问题, 首当其冲的就是就是安全问题. 聚合物隔膜的熔点比较低, 在电滥用或者机械滥用导致电池大量产热或者内短路时, 隔膜在高温的作用下会发生收缩和熔化, 从而导致正负极之间直接接触, 引起可怕的后果——热失控.
此外, 传统结构的锂离子电池在能量密度, 特别是体积能量密度上存在很大的劣势. 在锂离子电池内部能够储存能量的只有正负极活性物质, 但是传统的生产工艺和电池结构使得锂离子电池内部存在大量的非活性材料——Al箔, Cu箔和隔膜, 以及大量没有的得到利用的空间 (电极和隔膜之间, 电芯与壳体之间等) , 这都极大的降低了锂离子电池体积能量密度和重量能量密度.
设计导致的问题最终还需要从设计的角度上来解决, Enovix公司的工程师从半导体产业上找到了解决这一问题的灵感. 在过去的数十年中半导体产业在摩尔定律的驱动下快速发展, 每18个月芯片上的晶体管数量就要翻一倍, 在戈登摩尔博士作出这个预测的1965年, 单个芯片上能够集成的晶体管数量仅为30个, 而今天每一块芯片上都集成了数十亿个晶体管. 反观锂离子电池的发展史, 在过去的二十多年的时间里其能量密度的提升速度仅为每年5%左右, 而电子设备对储能的需求却大幅增加, 功能机时代手机每周充一次电, 而到了智能机时代充电成了每天必备的功课.
幸运的是半导体产业的基石Si材料, 对于锂离子电池而言也是一种非常优异的负极材料, 一个Si能与4.4个Li结合形成Li4.4Si, 而6个C才能与1个Li结合形成LiC6, 因此石墨负极的理论容量仅为372mAh/g, 而Si材料的理论容量可达4200mAh/g以上, 这使得Si材料成为了一种理想的负极材料, 因此半导体行业成熟的Si材料处理工艺有望应用在锂离子电池行业中.
Enovix公司的三位创始人Lahiri, Shah和Dales都具有半导体设计和封测经验, 因此他们将半导体产业中的光刻蚀工艺与Si负极锂离子电池结合在一起, 在Si基片上通过光刻蚀工艺设计了一种3D结构的固态锂离子电池 (工艺过程如下图所示) , 其工艺主要包含以下几个步骤1) 第一步是在涂有光刻胶的硅片表面绘制图案; 2) 对其进行腐蚀, 留下一部分作为Si负极, 还有一部分需要作为正极集流体支撑结构; 3) 在剩余的Si负极和正极集流体支撑结构上电镀一层薄薄的金属层作为集流体; 4) 在Si负极的表面沉积一层陶瓷隔膜; 5) 将正极材料填充的剩余的空间之中. 制备完成锂离子电池Si基片将会被激光切割成为单片电池, 这些单片电池首先会焊接上正负极引线, 然后进行烘干, 最后这些1mm厚的单片电池会根据需求堆叠成为不同厚度和形状的电池.
这一技术极大的提高了锂离子电池的空间利用率, 在Enovix开发的电池中75%的空间都能够用来储存电池, 体积能量密度是传统锂离子电池的1.5-3倍, 这对于消费类电子产品而言无疑具有极大的吸引力.
Enovix电池的另一大优势就是安全, 传统锂离子电池采用的聚合物隔膜, 在高温下会发生熔化和收缩, 引起锂离子电池热失控. 而Enovix电池采用的陶瓷隔膜最大程度上避免了这一问题. 即便是电池发生短路, Enovix集成电池的分布式微电极结构也能够对电流和热量传播起到限制作用, 从而进一步提升电池的安全性. 将一个130mAh的传统锂锂离子电池和一个100mAh的Enovix电池都充电到250%SoC, 然后进行针刺实验, 传统结构锂离子电池发生了热失控并起火, 而Enovix则没有发生热失控, 充分表明了Enovix电池的安全性.
对于锂离子电池而言成本往往是最大的敌人, 将半导体产业的工艺应用在锂离子电池上首先需要解决也是如何降低成本. Cypress半导体公司曾经帮助其旗下公司SunPOwer以极低的成本生产高性能太阳能电池, 在Cypress半导体公司, Intel投资公司和高通投资公司的帮助下, Enovix公司从2014年开始借助SunPower成熟的技术改进自己的生产工艺, 从而将生产成本大大降低.
现有的锂离子电池结构是在索尼的磁带生产工艺基础上发展而来的, 其结构已经限制了锂离子电池体积能量密度和重量能量密度的提高, Enovix开发的3D Si电池工艺是建立在半导体工业的基础上, 该电池解决了传统结构的锂离子电池的空间利用率低和安全性问题, 随着工艺的成熟和成本的不断降低, 有望为锂离子电池行业带来革命性的变化!
