轉自Lawrence Ulrich
IEEE電氣電子工程師
NANOGRAF
NanoGraf’s proprietary silicon anode lithium-ion batteries， according to CEO Francis Wang， “is a decade’s worth of improvement in a single technology。”
努力研發更好的鋰離子電池這件事情經常在實驗室碰壁，研究人員們一直致力於其規模的飛躍和創新。
近日，NanoGraf表示，它可以實現這一飛躍，並在這個過程中減輕美軍在戰場上攜帶或移植電子裝置的電池負荷。這家總部位於芝加哥的初創公司推出了一款18650鋰離子電池，據稱其能量密度為全球同類產品中最高的：可達到800Wh/L。
NanoGraf在化學層面的“野心”是眾所周知的，來一直是電池公司和研究人員的夢想：用奈米工程的氧化矽陽極取代碳石墨陽極，這種陽極可以儲存更多的鋰原子。不同的是，據NanoGraf公司執行長Francis Wang稱，NanoGraf的專有技術穩定且價格合理，足以滿足全球電池生產巨頭的需求，並且能夠在當前製造技術的限制下做到這一點。
Wang表示，近年來商業電池的發展趨於平穩。為了證實這一點，一位公司發言人指出了一份對電池行業近期表現的專有分析（Spectrum已審查過），報告指出，在過去的十年裡，最先進的鋰離子電池的發電能力的進步已經放緩，這也阻礙了此前商品電池價格的穩步下降。但是NanoGraf的矽陽極電池，Wang說，其能量密度甚至比業界效能最好的18650電池高出10%。
該公司是西北大學和Argonne國家實驗室的分支機構，其大部分資金來自美國國防部和能源部。除了商業應用外，NanoGraf的電池還可以顯著提高士兵隨身攜帶的軍用電子裝置的效能。美國士兵在巡邏時會攜帶超20磅的鋰離子電池，通常是重量僅次於防彈衣的裝備。而NanoGraf的電池可以延長美國士兵裝備的執行時間，並將電池組的重量減少15%以上。
如果NanoGraf能夠進入這一灘頭市場，它的下一個目標就是與消費電子產品製造商一道，向底特律和其他電動汽車製造商的令人望而生畏的牆擴張。
Jung Hwi “Juny” Cho是布朗大學的博士，他花了超過八年的時間研究鋰離子電池，概述了像NanoGraf這樣的公司面臨的挑戰。與石墨相比，矽吸收鋰的理論容量是石墨的10倍：3572mAh/g和石墨的372mAh/g。
但矽在充電過程中膨脹率高達300%-400%，對矽微粒和陽極與電解液之間的保護屏障造成嚴重破壞。為了克服這個問題，電池製造商之一的特斯拉，他們在石墨粉中添加了微量矽。製造持久的矽基陽極，價格合理，規模化，是其他主要障礙。
“這是考察電池初創公司時最重要的一點，”Cho說，“製造一個高能量密度的工作原型是很容易的，但要大規模生產它們，並一次又一次地製造出一致的批次，就是另一個完全不同的水平。”
Wang相信NanoGraf已經解決了所有這些主要的“痛點”。Wang補充說，與碳塗層的矽氧化物相比，這種電池大大減少了溶脹，其專有的水性表面塗層可以保護陽極免受破壞性反應的影響。
“我們的擴張更少，破壞更少，退化機制也更少，”他說。
最後，NanoGraf的水性表面塗層比傳統的氣相沉積塗層更實惠、更實用，能夠“順道”進入現有的電池製造設施。橡樹嶺實驗室（Oak Ridge Laboratory）的一項研究表明，在電池材料之後，電極製造是最昂貴的生產環節，佔電池組總成本的40%。
Wang說，包括LG Chem、松下、三星和CATL在內的電池巨頭，電池陽極的矽含量已經達到了大約5% —— 但仍停留在那裡。
“我們的技術將使他們能夠超越這一點。隨著時間的推移，矽將慢慢取代石墨。”Wang說。
該公司目前每年在日本生產10噸氧化矽材料，這是Wang所說的公司的“秘方”。但NanoGraf的目標是到明年從芝加哥West Loop一個計劃中的工廠獲得35噸的年產量。這將足以滿足適度的軍事供應，最終目標是生產數千噸，並將其擴充套件到電動汽車。
NanoGraf不願提及其合作伙伴關係，但表示正與50多家公司合作，其中包括一些全球領先的消費電子、家用電器和電動工具品牌，以及大約12家電動汽車領域的戰略合作伙伴。
Cho指出，矽面臨著來自金屬鋰電池或固態電池的激烈競爭，但這些技術可能面臨更漫長的商業成功之路。在這項技術實現下一次重大飛躍之前，矽的潛力是顯而易見的。
“我認為矽肯定有助於提高電池壽命和續航里程；從我們現有的電池來看，這是合乎邏輯的下一步。”
