硅負極鋰電池迎來一則最新進展：美國電池製造商 Enovix，在一塊 0.27Ah 的硅負極動力電池單元上，成功實現 0-80% 充電只用 5.2
分鐘；0-98% 充電在 10 分鐘以下的 6C 快充。比美國先進電池聯盟（USABC）目前快充目標減少近 2/3。
而且，這個數據還是在保證電池壽命的前提下實現的，官方循環壽命數據：
1000 次循環后電池容量還能保持在 93%，而目前主流的三元鋰電池 1000 次循環后，容量只能剩下 80% 左右。
在理論上證明了硅負極鋰電池，快充和電池循環兼得的可行性。而這背後的技術，正是 Enovix 的看家專利：3D Silicon 電池結構。
兼顧使用壽命和速度，如何做到？
Enovix 在官方的新聞稿中給出 2 大關鍵信息：
硅負極材料，以及 Enovix 的獨家專利：3D Silicon 電池結構。
先說硅負極材料。
眾所周知的是，相比目前主流的石墨負極材料，硅基負極材料有 2 大優勢：
首先，單位容量高，數據顯示，採用硅作為負極材料的鋰電池，理論容量可以達到 4200mAh / g，相比之下，目前主流的鋰電池單位容量則為 365mAh / g，兩者差距在 10 倍以上。
用“電池容量 = 單位能量密度 × 體積 / 質量”的公式簡單推導，意味着硅基電池的能量密度也可以達到石墨負極材料的 10 倍以上。
其次，也是經濟和環境方面的優勢，硅材料在地球的礦物儲量中極為豐富，而且本身對環境更為友好。
最後，石墨負極鋰電池在充放電過程中，會因為鋰電鍍過程而形成枝晶，從而可能穿透隔膜引起短路等安全問題，這也是影響鋰電池充電速度的重要因素，而硅元素則可以抑制枝晶的生長，從而在充電速度上形成優勢。
基於以上優勢，硅負極電池也被看作未來鋰電池的發展方向。
“未來”，代表趨勢，也代表還有未解決的問題，具體到硅負極電池而言，想要成功在電動車領域商業化，還要掃除 1 個最重要的障礙：
首先，充電膨脹問題，數據顯示，硅嵌鋰形成硅鋰合金化合物的過程中，體積膨脹可以達到 300%-400%，遠遠高於石墨負極材料電池。
這種特性有 2 個隱患：硅負極電池在充電過程中會導致硅材料和導電劑脫離，導電性降低，結果是電池容量快速衰減，降低循環壽命；
巨大的膨脹變化會使電極膜變大開裂，最終使活性材料從集流體上脫落，導致電池內阻增加，發熱量加大，帶來嚴重的電池安全問題。
所以綜合來看，硅負極材料優勢很明顯，電池容量和能量密度有巨大優勢，但劣勢同樣明顯：壽命短。
這兩個問題，從當下純電動車動力電池的需求角度看，幾乎就是原罪。Enovix 如何解決？
這裡就要講到第二個關鍵點：3D Silicon 電池結構。
先說傳統的纏繞式電池結構，是將電池正負極以及隔膜疊加起來，然後像捲紙一樣捲起來，差不多就是下面的樣子：
傳統結構的缺點在於，為了避免電池內部出現短路，一般會將隔膜做的比正負極更寬，浪費了儲能的空間。
而 3D Silicon 電池結構，是這樣的：
根據官方信息，這種結構設計參考了芯片的製造工藝。
具體來看，就是用一塊 1 毫米厚的硅片來做電池，用光刻的方式在硅片上製造凹槽，然後在凹槽中用電鍍的方式鍍上電池的導電層，然後在凹槽中再填充正極材料和隔膜。
官方數據顯示，這種結構，能將儲能物質的空間利用率提升至 75%，可以在單位容量上減小電池體積。
除了容積的提升，這種電池結構更大的優勢在於，在保證高能量密度和快充速率的基礎上，提升了硅負極電池的循環次數和使用安全。
而這方面，Enovix 並未透露，但我們在查閱 Enovix 相關的論文和專利時，發現了 2 個關鍵點：
一方面，是微觀層面，3D Silicon 電池在硅板上蝕刻凹槽的時候，會提前為硅負極預埋空隙，用於解決硅嵌鋰過程中膨脹可以內部消化，而不至於擠壓電池空間，形成短路。
另一方面，3D Silicon 電池還用到了一種叫做 BrakeFlow 的技術，來抑制電池在發生短路的情況下熱失控。
具體來說，就是在多個電池板疊加的情況下，在連接每個單元的母線設定一個固定的電阻，這樣在內部短路的情況下，就可以通過 BrakeFlow 調節通過短路處的電流，限制讓短路區域過熱出現熱失控的情況。
但這個 BrakeFlow 的發生機制和背後原理，Enovix 官方並未透露。
最後一個問題，基於硅負極材料和獨特的電池結構設計，硅負極電池具體表現怎麼樣？
Enovix 放出了實驗結果：
基於一塊 0.27Ah 的電池單元，在 4.2–2.5V 電壓，6C 充電倍率（電池容量的 6 倍）的情況下，實現了 0-80% 充電時間 5.2 分鐘，98% 電量以上的充電時間保持在 10 分鐘以內。
同時，能夠在 1000 次以上循環充電后，依然保持 93% 的電池容量，性能遠遠高於目前主流三元鋰電池 1000 次循環后容量 80% 左右的數據。
當然，這只是在 0.27Ah 小電池單元上實現的實驗數據，最終能否成功商業化，還是個未知數。
不過從官方的業務中可以看出，採用同樣結構的硅負極鋰電池，已經在 3C 消費領域得到商業應用，據悉其產品能量密度可以達到 900Wh / L。
而根據 Enovix 此前的規劃，進軍電動車動力電池領域，定在了 2023-2024 年。
Enovix 是誰？
說完技術，背後的 Enovix 需要關注和起底。
官方信息顯示，Enovix 是一家美國電池製造商，成立於 2007 年，總部位於加州。核心創始團隊有 3 人，有意思的是，這 3 人在創立 Enovix 之前，沒有一個人的背景與電池有關，反倒是供職於同一家公司：
FormFactor，一家半導體產品的製造商。
現在也能夠理解，Enovix 為什麼會用造芯片的思路造電池了吧。
其中，聯合創始人兼 CEO 哈羅德-拉斯特（Harrold Rust），曾在斯坦福大學獲得機械工程碩士學位，是 Enovix 的商業掌舵人，在 FormFactor 之前，曾在 IBM 供職，領導 IBM 在亞洲、中美洲和歐洲的全球磁盤驅動頭業務的財務計劃責任。
聯合創始人兼 CTO 阿肖克-拉希里（Ashok Lahiri），是 Enovix 的技術核心，Enovix 3D 電池結構相關的大多數專利，都有他的參與。
而且需要注意的是，拉希里在 FormFactor 供職期間，主要的任務，就是優化芯片硅基板的結構，這也為其後來開發 3D 電池結構打下基礎。
聯合創始人兼副總裁穆拉里-拉馬蘇布拉姆尼安（Murali Ramasubramanian），曾經在 FormFactor 負責新材料和結構的研究開發，曾經主導了 FormFactor 半導體晶圓測試的三維 MEMS 接觸技術研發。
商業模式方面，Enovix 在電池領域最先打入的賽道是小型電子設備，包括可穿戴設備以及 3C 消費電子等。
而以可穿戴設備作為突破點的原因，據官方招股書披露，是基於成本的考量，可穿戴設備行業對電池成本不那麼敏感，但對於能量密度要求更高，這也契合硅負極電池的優勢。
截止到目前，Enovix 成品電池的能量密度已經可以達到 900Wh / L，同時已經通過深度循環 500 次的測試。
對於後續的規劃，因為消費類電子的市場規模遠不足電動車市場，Enovix 計劃通過 3D 電池結構技術，在 2023=2024 年進入動力電池領域，目前已經在相關業務上與三菱汽車達到合作。
融資進展上，截止到 2020 年初，Enovix 已經進行了 6 輪累計近 2 億美元的融資：
2007 年 3 月，A 輪融資 230 萬美元，投資方為 DCM Ventures；
2008 年 9 月，B 輪融資 1200 萬美元，投資方為 Trinity Ventures；
2012 年 3 月，C 輪融資 1500 萬美元，投資方為 DCM Ventures 和 Sofinnova Investments；
2016 年 4 月，D 輪融資 1 億美元，由英特爾領投，Qualcomm，Cypress 賽普拉斯半導體跟投；
2018 年 8 月，獲得 1700 萬美元風投資金，投資方不詳；
2020 年 3 月，獲得 E 輪融資 4500 萬美元，由賽普拉斯半導體創始人 T・J・Rodgers 個人投資。
從投資人來看，Enovix 有英特爾這樣的巨頭，也有賽普拉斯這樣的半導體公司，但唯獨沒有主機廠的投資。
2021 年 2 月，Enovix 通過 SPAC 合併借殼上市，融資金額 4.05 億美元，估值 11 億美元。截止到上周五，Enovix 股價報 11.12 美元 / 股，市值達到 17.44 億美元。
國內硅負極電池有啥進展？
目光再說回國內，硅負極電池研發，現在什麼景象？
就目前來說，硅負極電池已經成為電池製造商和主機廠重點發力的領域，但從技術路線來說，國內主要是在材料進行突破，而不是電池結構。
以廣汽的海綿硅負極片電池技術為代表，分別是在電極材料、粘合劑和修復技術上入手，具體來看：
首先是通過納米複合硅技術，將硅材料控制在納米尺度，並在表面覆蓋保護層用以控制微觀狀態，同時避免硅元素與電解液的直接接觸，從而控制充放電過程中的體積膨脹。
其次是在極片連接上採用具有自修復功能的粘合劑技術，讓破損的硅負極可以在膨脹收縮過程中得以自我修補，保證電極結構穩定性。
最後是梯度複合塗布技術，通過硅負極極片活性組分與非活性緩衝組分的梯度分佈設計，大幅提升了活性層與集流體的結合力，改善了負極極片本體的結構穩定性。
除此之外，商業化方面，則是以貝特瑞、國軒高科等電池產業鏈玩家走在前面。
其中貝特瑞已經在 2013 年實現硅負極材料的商業化，是國內最早量產硅負極材料的企業之一，就在不久前，貝特瑞還在深圳投資建設了年產 4 萬噸的硅負極材料生產線。
國軒高科則是在 2016 年投建 5000 噸硅基材料項目，並在去年年初發布 210Wh/kg軟包磷酸鐵鋰電芯，宣布首次在磷酸鐵鋰化學體系中成功應用硅負極材料。