特斯拉正采用纳米材料技术开发硅阳极电池以解决电动车快速充电问题

为了创造更加可持续的未来，汽车制造商们正努力引进新型的电动汽车（EV）。这些电动汽车的问世会使对于能源的需求发生重大改变，我们需要更强大的快速充电网络，而硅（Si）阳极电池有可能是实现这一点的关键技术。Coretec集团（The Coretec Group）的首席执行官（CEO）Michael Kraft接受了《Power Electronics News》的采访，我们重点讨论了这些新方案的特性，并分析了有哪些材料可以促进电动汽车的发展。 Coretec集团致力于为多个有前景的市场研发并商业化新技术，例如储能，太阳能，固态照明，可打印电子产品和3D显示器。

Kraft说：“我们的研究重心是各种应用于下一代技术的先进材料，以应对各种全球的挑战性领域，例如半导体，太阳能电池板，LED和用于大功率和快速充电的下一代硅阳极电池。我们一直在寻找用于实现这些下一代技术的材料，以及可以与之合作或可以收购的企业。目前，我们的投资重点是环己硅烷（CHS）的商业化。”

Kraft指出，Coretec 集团的产品系列主打硅产物的生产，首先是环六硅烷（Si6H12），这是一种液体，当暴露于热或紫外线时会转变为纯硅，暴露初期形成非晶硅，然后随着暴露量的增加，转变为结晶硅。

CHS是一种纯物质，是能量存储先进应用中的关键。通过与Evonik的合作，Coretec集团为客户提供了CHS样品进行评估；Evonik可以提供大量生产所需的材料。 CHS的纯度可以被改变，来满足特殊的市场应用需求，并且CHS的定价与其纯度有关。 Kraft说：“ Coretec的环己硅烷非常适合那些对硅和/或掺杂硅（C，Ge，B，Co和P）的纯度、安全性、快速沉积速率和低温沉积有着高要求的应用。”

图1: 环己硅烷的转化

环己硅烷（CHS）在电动汽车中的重大用途

电动汽车（EV）是替代普通汽油车辆的一种更环保的选择，但电动汽车还缺一项关键的功能：便捷性。电动汽车的基础设施和电池容量都无法与当今的汽车相提并论。加油站随处可见，但电动汽车的充电站却尚未普及，这意味着驾驶员须在出行前制定详细的充电计划。电动汽车需要搭载快速充电功能和支持长距离驾驶的电池，这些高效的基础设施将有助于电动汽车的成功。

许多制造商正在寻找新的解决方案（材料），用来克服锂离子（Li-ion）电池中石墨阳极的局限性。新型硅阳极电池技术可以为电池快速充电，有望在5至10分钟内充至其容量的80％以上，还不会损坏电池外形，同时还能将能量密度提升2至3倍。

即将面世的2.0代锂离子电池将采用新材料，用来增加能量密度并解决电池膨胀问题。Kraft指出，有很多企业正在与材料工程师合作，将纳米技术加入到制造过程中，例如加入诸如CHS之类的Si前体。

Kraft讲解到，CHS能提供比传统前体更快的器件制造速度，更重要的是，它还可以生成非晶纳米结构，这意味着电池可以实现快速充电，同时避免膨胀。这种材料还可以使电池能够承受许多次的充电和放电循环，这也是电动汽车的一个重要考量。

Kraft说：“ 通过用硅碳纳米结构和合金代替锂离子电池中常用的石墨阳极，Coretec环六硅烷也许能够提高能量密度。这些材料存储了更多的锂离子，在降低电池损耗的同时提高了能量密度。”

CHS是一种液态硅前体，应用在锂离子电池的阳极。它的液态特性为加工低成本碳硅纳米结构提供了优势，使其能够直接替代高能锂离子中的石墨。这种电池的一个主要优势是拥有更高的充电/放电寿命周期和更高的能量密度。

Kraft指出，特斯拉表示他们正朝着硅阳极方案迈进，这代表了电动汽车电池的一个重要里程碑。消费者需要一种能够更快充电，行驶得更远，使用寿命更长的电池，而当今的材料还不足以应对这一挑战。

SiC制造的新功能

电力电子学在宽禁带材料需求方面正以惊人的速度发展。满足设计参数的碳化硅（SiC）可以有效地增强电动汽车的动力，并有助于提升电动汽车的系统性能和长期可靠性。

SiC器件越来越多地用于对尺寸、重量和效率有着严格要求的高压功率转换器中，与常用的Si器件相比，SiC器件具有许多更有吸引力的特性。SiC器件的导通电阻和开关损耗要低得多，并且SiC的导热系数要比Si高3倍左右，因此可以更快地散热。这一点非常重要，因为当硅基器件的面积变小时，电转换过程中产生的热量变得更加难以散出，而SiC的散热效果更好。

SiC晶片与传统的Si晶片相比复杂得多，并且由于市场需求量大，在SiC大规模商业化并完全替代传统形式的Si之前，还有许多障碍问题需要克服。CHS这种硅前体可以在这一点上提供帮助。

高性能的SiC器件一直以来都受到以下限制：无法在低缺陷密度的半导体晶圆上生长SiC膜，以及如果采用将SiC层粘附到基底上会遇到的其他困难：常见的例子有α-SiC（例如，4H-SiC，6H- SiC）和β-SiC（3C-SiC）。

β-SiC作为电力电子器件的替代材料，它的广泛采用还存在一些挑战。其中特别需要注意的一项挑战是对于硅前体的需求，采用的硅前体无论从经济角度还是化学角度上，都要能够帮助SiC器件研发出先进的薄膜和结构。

在常规条件下，CHS可以在多种基底上形成β-SiC薄膜。另外，CHS可以帮助β-SiC膜简单地进行p型掺杂。这种前体可以简化从运输到存储以及硅沉积的过程，从而有助于电力电子技术的发展。Kraft指出，CHS有望以一种高性价比的方式克服SiC半导体生产中的传统限制。

电动汽车的自主性直接反映了其动力系统和能源管理系统的效率。除了必要的基础设施（例如随处可用的快速充电系统）之外，电动汽车还必须搭载优化了的SiC电力电子设备，以及具有更高能量密度和更短充电时间的Si基阳极电池。电动汽车进行了这些改进后，不仅会被大规模地采用，取代当今的汽油车辆，并且还将创造出世界所需的可持续电动汽车。