鋰離子電池自誕生以來, 其基本結構幾乎沒有發生改變. 現在所有的鋰離子電池結構都是基於索尼當年設計的三明治結構, 電池主要由正極薄片和負極薄片組成, 為了防止正負極之間短路, 正負極極片之間需要加入一層多孔結構的聚合物隔膜, 以便讓Li+穿過隔膜在正負極之間移動. 這種結構設計可以說是恰到好處, 以至於二十多年來鋰離子電池的結構都沒有發生大的改變, 但是這種結構其實存許多問題, 首當其衝的就是就是安全問題. 聚合物隔膜的熔點比較低, 在電濫用或者機械濫用導致電池大量產熱或者內短路時, 隔膜在高溫的作用下會發生收縮和熔化, 從而導致正負極之間直接接觸, 引起可怕的後果——熱失控.
此外, 傳統結構的鋰離子電池在能量密度, 特別是體積能量密度上存在很大的劣勢. 在鋰離子電池內部能夠儲存能量的只有正負極活性物質, 但是傳統的生產工藝和電池結構使得鋰離子電池內部存在大量的非活性材料——Al箔, Cu箔和隔膜, 以及大量沒有的得到利用的空間 (電極和隔膜之間, 電芯與殼體之間等) , 這都極大的降低了鋰離子電池體積能量密度和重量能量密度.
設計導致的問題最終還需要從設計的角度上來解決, Enovix公司的工程師從半導體產業上找到了解決這一問題的靈感. 在過去的數十年中半導體產業在摩爾定律的驅動下快速發展, 每18個月晶片上的晶體管數量就要翻一倍, 在戈登摩爾博士作出這個預測的1965年, 單個晶片上能夠整合的晶體管數量僅為30個, 而今天每一塊晶片上都整合了數十億個晶體管. 反觀鋰離子電池的發展史, 在過去的二十多年的時間裡其能量密度的提升速度僅為每年5%左右, 而電子設備對儲能的需求卻大幅增加, 功能機時代手機每周充一次電, 而到了智能機時代充電成了每天必備的功課.
幸運的是半導體產業的基石Si材料, 對於鋰離子電池而言也是一種非常優異的負極材料, 一個Si能與4.4個Li結合形成Li4.4Si, 而6個C才能與1個Li結合形成LiC6, 因此石墨負極的理論容量僅為372mAh/g, 而Si材料的理論容量可達4200mAh/g以上, 這使得Si材料成為了一種理想的負極材料, 因此半導體行業成熟的Si材料處理工藝有望應用在鋰離子電池行業中.
Enovix公司的三位創始人Lahiri, Shah和Dales都具有半導體設計和封測經驗, 因此他們將半導體產業中的光刻蝕工藝與Si負極鋰離子電池結合在一起, 在Si基片上通過光刻蝕工藝設計了一種3D結構的固態鋰離子電池 (工藝過程如下圖所示) , 其工藝主要包含以下幾個步驟1) 第一步是在塗有光刻膠的矽片表面繪製圖案; 2) 對其進行腐蝕, 留下一部分作為Si負極, 還有一部分需要作為正極集流體支撐結構; 3) 在剩餘的Si負極和正極集流體支撐結構上電鍍一層薄薄的金屬層作為集流體; 4) 在Si負極的表面沉積一層陶瓷隔膜; 5) 將正極材料填充的剩餘的空間之中. 製備完成鋰離子電池Si基片將會被雷射切割成為單片電池, 這些單片電池首先會焊接上正負極引線, 然後進行烘乾, 最後這些1mm厚的單片電池會根據需求堆疊成為不同厚度和形狀的電池.
這一技術極大的提高了鋰離子電池的空間利用率, 在Enovix開發的電池中75%的空間都能夠用來儲存電池, 體積能量密度是傳統鋰離子電池的1.5-3倍, 這對於消費類電子產品而言無疑具有極大的吸引力.
Enovix電池的另一大優勢就是安全, 傳統鋰離子電池採用的聚合物隔膜, 在高溫下會發生熔化和收縮, 引起鋰離子電池熱失控. 而Enovix電池採用的陶瓷隔膜最大程度上避免了這一問題. 即便是電池發生短路, Enovix整合電池的分布式微電極結構也能夠對電流和熱量傳播起到限製作用, 從而進一步提升電池的安全性. 將一個130mAh的傳統鋰鋰離子電池和一個100mAh的Enovix電池都充電到250%SoC, 然後進行針刺實驗, 傳統結構鋰離子電池發生了熱失控並起火, 而Enovix則沒有發生熱失控, 充分表明了Enovix電池的安全性.
對於鋰離子電池而言成本往往是最大的敵人, 將半導體產業的工藝應用在鋰離子電池上首先需要解決也是如何降低成本. Cypress半導體公司曾經幫助其旗下公司SunPOwer以極低的成本生產高性能太陽能電池, 在Cypress半導體公司, Intel投資公司和高通投資公司的幫助下, Enovix公司從2014年開始藉助SunPower成熟的技術改進自己的生產工藝, 從而將生產成本大大降低.
現有的鋰離子電池結構是在索尼的磁帶生產工藝基礎上發展而來的, 其結構已經限制了鋰離子電池體積能量密度和重量能量密度的提高, Enovix開發的3D Si電池工藝是建立在半導體工業的基礎上, 該電池解決了傳統結構的鋰離子電池的空間利用率低和安全性問題, 隨著工藝的成熟和成本的不斷降低, 有望為鋰離子電池行業帶來革命性的變化!
