電極材料新創開發新技術 緩解出口管制供應鏈瓶頸
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芮嘉玮╱财团法人中技社 科技暨工程研究中心副主任
2023年12月中国限制石墨出口，撼动全球电动车及其电池市场，以石墨为主的锂电池负极材料供应链堪虑。面对国际关键矿物资源出口管制，除了尽可能地创造多元化供应来源以及强化国际合作和资源共享之外，鼓励技术创新开发替代关键矿物的新材料和新技术，也是减少对特定国家依赖度的不二之选。
电极材料新创Sila Nanotechnologies
席拉奈米科技公司（Sila Nanotechnologies）是一家位于美国加州的企业，专注于开发和制造先进的锂电池技术。该公司的目标是通过利用奈米技术和材料科学来改进锂电池的性能，使其更安全、更持久、更高效。Sila Nanotechnologies的创始人之一兼CEO是Gene Berdichevsky，他曾是特斯拉公司的首席工程师之一，具有丰富的电动车和锂电池行业经验。该公司的技术被广泛认为有望推动电动汽车和可再生能源存储等领域的发展，因为它可以提高电池的能量密度、降低成本并延长寿命。Sila Nanotechnologies已经吸引了众多投资者的关注，并与许多主要汽车制造商和电池制造商合作，共同推进锂电池技术的发展。
Sila Nanotechnologies的创新与技术突破
Sila Nanotechnologies已经取得了多项创新与技术突破，主要集中在锂电池技术的改进上。Sila Nanotechnologies开发了一系列高能量密度的锂电池负极材料，专注于利用矽基材料作为锂电池负极的主要成分，因为矽具有更高的能量密度，透过奈米结构设计控制矽材料的微观结构和形貌，改进矽基材料的结构和稳定性，这包括制备奈米级粒子、薄膜或多孔材料，以增加材料的表面积，提高锂离子的扩散速率，从而克服矽在充放电过程中的膨胀和收缩问题，改善电池的充放电性能。这些材料除了可以实现锂电池的快速充放电，缩短充电时间，提高电池的使用效率之外，还可以存储更多的电能，提高电池的续航里程和性能，从而延长电池的寿命。总的来说，Sila Nanotechnologies的创新主要集中在开发高能量密度、稳定性更好、快速充放电的矽基锂电池材料上，这些技术突破有望推动电动汽车和可再生能源存储等领域的发展，这对于电动汽车和其他应用来说至关重要。
奈米复合矽（Nano-Composite Silicon）
Sila Nanotechnologies 专注于利用矽基材料作为锂电池阳极的主要成分，这是一项非常重要的技术突破，因为矽具有更高的能量密度，相比传统的碳基负极材料，矽可以存储更多的锂离子，从而提高了锂电池的能量密度。然而，矽在充放电过程中会发生体积膨胀和收缩的问题，这可能导致电池材料的损坏和性能下降。因此，Sila Nanotechnologies致力于克服这些问题，并实现矽基材料在锂电池中的商业应用。
Sila Nanotechnologies 在利用矽基材料作为锂电池负极主要成分的技术上，采用了奈米复合矽（Nano-Composite Silicon，NCS）技术。为了对汽车电气化产生有意义的影响，需要能够提供卓越性能改进和延长使用寿命的材料，奈米复合矽 （NCS） 材料的开发，在颗粒级别上系由更小的高容量矽颗粒在多孔支撑基质中制成以满足此关键的需求。然而，这些孔并没有完全填满，留下的空隙使矽颗粒在电池充电和放电时能够膨胀和收缩，而不会损坏支撑基质（图1）。NCS 将矽的更高能量密度与电动汽车所需的安全性和稳定性相结合，而且通常与现有的超级工厂直接相容。这些工厂可以将石墨转换成NCS材料，而且无需任何额外投资，就可以开始生产更小、更轻、充电速度更快的电池。尽管NCS材料易于使用，但它们并不简单，也并非都是一样的。矽的数量和形态，复合材料中其他物质的物理、化学和机械特性，以及将它们组合在一起的工艺，都对奈米复合颗粒的成本、可扩展性和性能以及最终这些用于电动汽车的新一代负极材料的性能有着重大影响。
图1. 奈米复合矽颗粒；图片来源：Sila Nanotechnologies[1]
具核壳型复合材料的电池电极组合物
为解决锂电池充放电时的膨胀和收缩问题，Sila Nanotechnologies开发电极材料新技术并申请专利。美国专利号US20130344391A1发明一种具有膨胀性能的电池活性材料的多壳结构及其制备方法，特别是主张一种包含核壳型复合材料的电池电极组合物，是Sila Nanotechnologies所有申请的专利中被引用次数最多的案件（截至2024/05/05共被引用117次）。如图2，该专利主要是提供多个复合结构100作为电池的阳极，此复合结构100中含有一个可收缩的核（collapsible core）104，该核104被一活性材料102所环绕，而活性材料102又被壳层106所包围，此壳层106 可让金属离子（例如：锂离子）渗透。由于核104是可收缩的，故活性材料102（例如：矽）因吸收金属离子所导致的体积膨胀能够被可收缩的核104所吸收。其中所述活性材料为包括包括铜、铁或锂等金属氟化物或金属氧化氟化物的活性正极材料。
图2. 核壳型复合材料包含各种电池电极组合物示意图；图片来源：美国专利号US20130344391A1
另一篇美国专利号US8932764B2也发明了一种包含核壳型复合材料的电池电极组合物，是Sila Nanotechnologies所有申请的专利中被引用次数次多的案件（截至2024/05/05共被引用98次）。如图3所示，该专利主要特色是提供多个复合结构102作为电池的负极，此复合结构102包含一核104和一壳层106，核104系由多孔硫奈米粒子组成，具有一网络孔隙202。这种「多孔」设计使核104能够调节金属离子（例如，锂离子）的迁入/迁出，以在电池的放电或充电期间以相应的金属硫化物的形式存储金属离子，并在电池的充电或放电期间从相应的金属硫化物迁出金属离子。同时保持整体粒子大小不变，并使壳层106保持完整，在电池运作期间保持粒子大小有助于最小化硫基负极的退化问题。
图3. 包含核壳型复合材料的电池电极组合物；图片来源：美国专利号US8932764B2
扩增合作伙伴 推动储能市场发展
电池作为电动车最关键的零组件，一直是各大汽车制造厂商的兵家必争之地。特斯拉、福特、通用汽车、宾士（Mercedes-Benz）、BMW、奥迪等电动汽车制造商，以及诸如Panasonic、LG化学、CATL（宁德时代）、Samsung SDI等全球领先的电池制造商，都已与Sila Nanotechnologies合作，利用Sila的先进技术来改进产品性能和成本效益，共同推进锂电池技术的发展，寻求提高电池性能以增加电动汽车的续航里程、充电速度和耐久性。Panasonic旗下电池业务子公司Panasonic Energy日前也宣布，已与美国电池材料新创Sila Nanotechnologies签订采购合约，将从Sila购买一种名为Titan SiliconTM的下一代矽材料，比一般的石墨负极材料，能让电池的容量更大，电池的能量密度更高，且在充电时更不容易膨胀。此Titan SiliconTM系以矽奈米复合材料作为锂离子电池的阳极，其实就是前揭的奈米复合矽（Nano-Composite Silicon，NCS）材料技术，该技术使得Sila Nanotechnologies能够开发出性能更好、稳定性更高的矽基锂电池材料，从而推动锂电池技术的发展，应用于电动汽车、便携式电子设备等领域。这些合作伙伴关系有助于将Sila Nanotechnologies的技术应用于实际的产品中，从而推动电动汽车和可再生能源存储等储能市场的发展。
创新替代材料 缓解供应链瓶颈
除了Sila Nanotechnologies之外，美国另一家新创公司Group14 Technologies近日也宣布推出以矽基材料取代传统石墨制造的新式电动车电池，Group14 Technologies是采用一种矽碳复合负极材料取代电池中常见的石墨基负极，可以将能量密度提高多达 50%以增强电池性能，与透过使用越来越大以及越来越重的电池来解决电动车的里程焦虑问题相比，这是一个巨大的进步。这使得电池可以多储存50%的能量，并且充电时间仅需10分钟[2]。任何供应锂离子电池的公司都可以使用该技术及Group14 所生产电动车电池材料，包括消费性电子产品。该公司正在与全球100多家客户合作，据称这些客户占全球锂离子电池产量的 95%。它已从保时捷公司和微软气候创新基金等客户和投资者筹集了超过6.5 亿美元。2023 年，Group14 透过收购欧洲关键前驱材料生产商 Schmid Silicon 来增强其制造能力。它还开始在华盛顿州摩西湖建设一家工厂，该工厂将为20万辆电动车的电池提供足够的材料，并得到能源部价值1亿美元的合约的支持。据悉Group14 Technologies正与南韩SK集团建立一家合资工厂将于2024年开张投入商业化生产。这些国际合作与市场上的竞合关系，告诉我们一件事：「这种采用地壳中仅次于氧的第二丰富元素『矽』取代一种预计在未来几年会严重短缺的材料『石墨』，可以缓解供应链瓶颈并降低成本」。
备注：
1. Designing A Better Battery for Next Generation EVs: A Market Overview of Anode Materials. 2023 Sila Nanotechnologies.
2. Meet the Washington firm at the center of the EV battery revolution, 2024 Apr 2.
https://www.axios.com/local/seattle/2024/04/02/group14-ev-battery-lithium-tech-washington
中原大学 财经法律研究所 硕士
国立台湾科技大学 材料科学与工程研究所 硕士
工研院电子与光电研究所专利副主委
光电产业智权经理
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