在调查了所有可能的解决方案之后 ， 三人从理论上确定硅是最有前途的材料 。 他们只需要让技术发挥作用 。 许多人在他们之前尝试过 ， 但都以失败告终 。 不过 ， 伯迪切夫斯基和他的同事们对他们的成功表示乐观 。 一个硅原子可以附着4个锂离子 ， 这意味着与重量相近的石墨阳极相比 ， 一个硅阳极可以储存10倍的锂 。 这一潜力意味着 ， 美国国家研究院对硅阳极材料充满了兴趣 ， Amprius、Enovix和Envia等风投机构支持的初创企业也是如此 。
当锂离子在电池充电时附着在阳极上时 ， 它会轻微膨胀 ， 然后在使用时再次收缩 。 在重复的充电循环中 ， 这种膨胀和收缩破坏了固态电解质界面层 ， 后者是一种保护物质 ， 在阳极表面形成斑块 。 这种损害会产生副作用 ， 消耗电池中的部分锂 。 伯迪切夫斯基说：“它被困在无用的垃圾里 。 ”
随着时间的推移 ， 这是智能手机开始快速损失储能的主要原因 。 石墨阳极膨胀和收缩约7% ， 因此在性能开始急剧下滑之前 ， 它可以完成大约1000个充放周期 。 这相当于一部智能手机持续两年、每天充电 。 但由于硅颗粒能吸附如此多的锂 ， 它们在充电时膨胀的幅度要大得多(高达400%) 。 大多数硅阳极经过几次充电循环后会发生断裂 。 在实验室的5年多时间里 ， Sila Nanotechnologies创造了一种纳米复合材料来解决膨胀问题 。
伯迪切夫斯基解释说 ， 如果石墨阳极是个“公寓区” ， 那么所有的“房间”都是一样大小 ， 而且都紧紧地挤在一起 。 经过3万次迭代(不同的柱子和房间组合) ， 他们形成了阳极 ， 那里每层都有足够的空间让硅原子在获取锂时膨胀 。 他说：“我们把多余的空间困在建筑内部 。 ”这就解决了膨胀问题 ， 同时保持阳极的外部尺寸和形状稳定 。
伯迪切夫斯基表示 ， 明年Sila Nanotechnologies将向制造商提供的第一代材料 ， 将使能源密度提高20% ， 并最终提高40% ， 同时也能提高安全性 。 他说：“硅能让你远离边缘 ， 你可以空出1%或2%的空间 ， 以真正大幅提高你的安全 。 ”最重要的是 ， 它也可以直接转换成现有的设计 。 随着亚洲的电池生产商争相增加工厂产能 ， 为电动汽车时代到来做准备 ， 伯迪切夫斯基认为 ， 任何与当前生产工艺不兼容的产品都可能被排除在外 。 他说：“如果现在还不存在可以替代锂离子的技术 ， 到上市的时候 ， 它将迎来无数的用户群 。 ”
当电池充满电并放电时 ， 锂离子在两个电极之间舞动 ， 有时它们很难返回 。 相反 ， 尤其是当电池充电太快时 ， 它们会在电极的外面聚集 ， 逐渐形成树枝状的分支 ， 就像洞穴顶部的钟乳石 。 最终 ， 这些看起来像窗玻璃上结了霜的树突 ， 可以通过电解质一路延伸 ， 穿透隔膜 ， 并通过触碰对面的电极产生短路 。
随着各层之间的距离越来越近 ， 这种风险就会增加 ， 出错的可能性也会随之增加 。 正如三星去年发现的那样 ， 出错可能会造成损害 ， 代价相当高昂 。 微小的制造缺陷曾导致Galaxy Note 7手机电池内部短路 。 在某些设备上 ， 阳极和阴极最终彼此接触 ， 这起灾难性的召回事件估计导致三星损失了34亿欧元 。 Ionic Materials公司的齐默尔曼解释道：“当这种情况发生时 ， 电池会变得非常热 ， 液体电解质会发生热逃逸 ， 最终引发火灾和爆炸 。 ”
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