由于硅材料的工作電壓、容量利用率、電極容量匹配和電極密度等方面的原因，其改進可能略低于預期，但仍有潛力顯著提高電池的能量密度。

據(jù)介紹，硅是上個世紀最重要的材料之一，它推動了數(shù)字革命，以及個人電腦、筆記本電腦和智能手機的誕生。即使對于近期爆發(fā)的新冠病毒疫情（Covid-19）危機，硅的價值也是顯而易見的，它使許多公司、業(yè)務和個人通過智能設備和網(wǎng)絡保持生產力。盡管Covid-19危機是目前全人類的當務之急，但氣候變化帶來的長期影響可能更具破壞性。硅是數(shù)字革命的關鍵，現(xiàn)在，它又開始在鋰離子電池領域展現(xiàn)應用潛力，而鋰離子電池是解決長期氣候變化危機的關鍵技術之一。

將電池技術與硅晶體管所推動的數(shù)字革命相提并論或許有些夸大，但它們無疑是現(xiàn)代社會降低碳排放的核心技術之一。根據(jù)歐洲環(huán)境署（European Environment Agency）的數(shù)據(jù)，該地區(qū)的公路交通和運輸占據(jù)了歐盟二氧化碳排放量的30%。在大多數(shù)情況下，純電動汽車（BEV）是目前最適合降低這些碳排放的方案（暫不討論氫能源、燃料電池以及生物燃料等）。

英國知名研究機構IDTechEx在其出版的《電動汽車-2020版》研究報告中總覽了電動汽車市場，覆蓋了鋰離子電池可能不是最佳選擇的細分車輛市場。盡管純電動汽車是替代燃油引擎車輛（ICE）的理想方案，但它的前期成本仍然很高，且在續(xù)航里程和續(xù)航時間方面仍難以與燃油車競爭。

不斷增長的規(guī)模經濟、制造創(chuàng)新和垂直整合，將有助于推動電池價格的進一步下降，但進一步改善電池性能需要新材料和技術創(chuàng)新。IDTechEx最新發(fā)布的《鋰離子電池技術及市場-2020版》報告，對該市場的所有主要趨勢進行了詳細的深入分析，包括硅在其中所扮演的角色。

目前，大多數(shù)純電動汽車使用的是石墨負極（可能含有少量硅材料作為添加劑），有機液體電解質，以及采用鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）或鋰鎳鈷鋁氧化物（NCA）（特斯拉）的正極。目前采用這些材料的市場領先電池可以達到600~700 Wh/l的能量密度，可在大約40分鐘內（適宜的溫度條件）充到容量的80%，并且可以循環(huán)充放電大約2000次。這些電池可以使純電動汽車的續(xù)航里程超過320公里，充滿電的時間約為1小時，電池壽命可達10年以上。對于早期用戶來說已經足夠了，但對于大眾市場來說可能還不夠。更大的續(xù)航里程和更快的充電時間將在很大程度上解決這一問題。

硅在這兩個方面都可以發(fā)揮作用。首先，理論上每個硅原子可以與3.75個鋰離子結合，而相比之下，6個碳原子僅能與1個鋰離子結合。這使硅材料的理論容量達到了石墨的10倍。

典型電芯能量密度隨著負極中硅含量的增加而增加

由于硅材料的工作電壓、容量利用率、電極容量匹配和電極密度等方面的原因，其改進可能略低于預期，但仍有潛力顯著提高電池的能量密度。然而，通過添加硅材料來改進鋰離子電池并不簡單。這種材料受到一個主要問題的困擾：硅在鋰離子嵌入脫嵌過程中，體積會膨脹100%~300%。這會導致在材料內部產生較大的內應力，對材料結構造成破壞，共同降低了電極的導電性和循環(huán)穩(wěn)定性。幸運的是，通過學術界和工業(yè)界的廣泛研發(fā)努力，緩解這些問題的各種解決方案已經接近商業(yè)化。

穩(wěn)定硅循環(huán)的解決方案之一包括使用高度多孔材料。這為硅的膨脹提供了空間，同時也能改善快速充電能力和低溫工作性能，這對純電動汽車來說是非常重要的指標。然而，多孔材料也給電解液的穩(wěn)定性帶來了問題，不過，新的問題也意味著新的機遇。數(shù)十家公司正尋求將硅主導的負極材料商業(yè)化，它們各自采取了不同的路線來穩(wěn)定這種材料。硅的巨大前景以及鋰離子市場的巨大增長潛力，幫助硅負極初創(chuàng)企業(yè)已獲得超過7.5億美元的融資。

對硅負極初創(chuàng)公司的大量投資，側面證明了硅在鋰離子電池領域的吸引力

簡而言之，硅不僅可以提高鋰離子電池的能量密度，而且可以提高電池的快速充電速度，有助于實現(xiàn)更清潔、更安靜且更環(huán)保的交通出行。其主要的障礙是體積極具擴張/收縮而導致的問題，很多廠商已經投入了大量資金來解決這些問題，因此這些廠商不得不需要盡快開始轉化為營收。為此，一些廠商正積極瞄準那些能夠比汽車行業(yè)更快利用其解決方案的應用。

消費類設備和電動工具就是很好的目標領域，對于這些應用，IDTechEx相信硅負極材料很可能已經準備好進入市場。此外，這些廠商還必須證明這種新型硅材料和負極制造的經濟性和可擴展性。對于純電動汽車，可以理解的是，認證時間和開發(fā)周期會更長。IDTechEx預測，直到2020年代末，采用硅負極的鋰離子電池才會在市場上占據(jù)顯著份額。

IDTechEx在最新的《鋰離子電池技術及市場-2020版》報告中對硅負極、相關廠商以及潛在市場進行了更深入的分析，并對鋰離子電池市場及其廣泛技術進行了全面概述。此外，IDTechEx還針對儲能市場提供了分析和見解。
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