安普瑞斯，首個實現(xiàn)全硅負(fù)極鋰電池的公司？
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：2021-02-09
【概要描述】曾有傳言特斯拉要收購安普瑞斯公司，這事是否靠譜？
在研發(fā)硅負(fù)極材料的公司里，安普瑞斯是一個先行者也是現(xiàn)在行業(yè)里的佼佼者。公司的創(chuàng)始人是美國斯坦福大學(xué)的華人教授崔毅，他的研究組在2008年的Nature子刊上發(fā)表了一篇使用硅納米線作為鋰電池負(fù)極材料的研究文章，至今已被引用超過6000多次。也就在同一年，他創(chuàng)立了安普瑞斯公司，準(zhǔn)備將硅納米線負(fù)極材料市場化。
在2008年那個時代，當(dāng)別的研究人員還在鉆研硅納米顆粒的時候，崔毅教授已經(jīng)看到了納米顆粒的局限性——反復(fù)的膨脹收縮會最終導(dǎo)致顆粒破裂，于是提出了硅納米線的概念。如下圖所示，硅納米線像金針菇一樣被生長在導(dǎo)電金屬箔上，當(dāng)充電時吸收鋰離子會變粗變長。由于其直徑很?。ū热?9納米），即使全部吸收滿鋰離子也只會增加到141納米，膨脹比例遠(yuǎn)小于納米顆粒，所以其循環(huán)充電穩(wěn)定性遠(yuǎn)超硅納米顆粒。同時，因為硅納米線是直接從導(dǎo)電金屬箔上生長出來的，所以其連接很穩(wěn)固，經(jīng)歷多次充放電后也不會脫離金屬箔，從而保持了良好的導(dǎo)電性。利用這樣的硅納米線負(fù)極，崔教授研究組成功測量到了硅材料的實際儲能密度為每克4277毫安時，與理論推測的硅儲能密度基本一致（每克4200毫安時）。
安普瑞斯公司在成立后的幾年里潛心研發(fā)，2016年開始在中國無錫設(shè)廠生產(chǎn)含硅負(fù)極的鋰電池，其能量密度超過當(dāng)時同類型石墨負(fù)極電池的10%以上，主要供貨給手機等移動設(shè)備。盡管安普瑞斯的美國官網(wǎng)早已宣稱可生產(chǎn)含100%硅材料的負(fù)極電池，但根據(jù)這個性能來推斷，當(dāng)時在中國生產(chǎn)的電池可能還未完全實現(xiàn)100%硅負(fù)極材料，仍然是硅碳復(fù)合型材料。
同年，安普瑞斯美國公司宣布完成了快速生產(chǎn)線的驗證工作。他們采用卷對卷（Roll-to-roll）流水線集成多個生產(chǎn)步驟，通過化學(xué)氣相沉淀法直接在銅箔上生長三維硅納米線負(fù)極材料。從公司官網(wǎng)公布的一張顯微鏡照片來看，這個工藝可以在一張銅箔的兩側(cè)分別生長出硅納米線，形態(tài)非常均衡，說明在沉淀法的工藝控制上已做得非常好。據(jù)官網(wǎng)介紹，通過此工藝生產(chǎn)出來的硅納米線負(fù)極厚度只有同類型石墨負(fù)極的一半左右，而且同時具備微觀孔隙和宏觀空隙。宏觀空隙可以理解為不同納米線之間的空間，微觀孔隙則可能指單根納米線內(nèi)部也是中空結(jié)構(gòu)，從而避免納米線的過度膨脹對穩(wěn)定性造成損害。
2018年，空中客車公司研發(fā)的高空太陽能無人機“和風(fēng)號”采用了安普瑞斯的全硅負(fù)極電池，一次放飛能在2萬米以上的高空持續(xù)飛行25天以上，創(chuàng)造了太陽能無人機續(xù)航時間的新紀(jì)錄?！昂惋L(fēng)號”無人機利用太陽能為它的兩個螺旋槳發(fā)動機提供動力，使它白天能完全依靠太陽能運轉(zhuǎn)。在夜間，則依靠白天儲存在機載電池里的能量繼續(xù)飛行。由于使用了能量密度更高的全硅負(fù)極電池，其續(xù)航時間比之前最高的11天增加了一倍多。
從安普瑞斯提供的下列對比圖可以看到，不同電池體系能量密度的差異很大。而含全硅負(fù)極的電池不管在重量能量密度，還是在體積能量密度的比較中都超過其他類型的電池，可以達(dá)到435 Wh/kg或1200 Wh/L以上。其體積能量密度的優(yōu)勢尤其明顯，超過第二高的電池類型幾乎一倍。
安普瑞斯從創(chuàng)立至今已有13年時間，前后一共融資了1.6億美元，目前還未上市。隨著其全硅負(fù)極流水線工藝的逐漸成熟，預(yù)計相應(yīng)的產(chǎn)品也將迅速推出占領(lǐng)市場。就在2020年9月特斯拉舉行第一次電池日之前，有流言說特斯拉很可能會收購安普瑞斯，并且很可能會在電池日當(dāng)天宣布。這種猜測是基于以下兩個線索：
1. 安普瑞斯公司搬到了特斯拉工廠的街對面。如下面的衛(wèi)星圖所示。
2. 特斯拉第一次電池日的宣傳網(wǎng)頁上，背景圖似乎是一張硅納米線的電子掃描電鏡圖。
但是，特斯拉在電池日當(dāng)天并沒有提及硅納米線負(fù)極材料，也沒有談到任何與安普瑞斯有關(guān)的內(nèi)容，讓廣大吃瓜群眾撲了個空。但不管怎樣，這樣的猜測也從側(cè)面證實了大家對硅納米線負(fù)極的看好，以及對安普瑞斯公司前途的期待。
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參考文獻：
1. 安普瑞斯官網(wǎng)https://www.amprius.com/
2. High-performancelithium battery anodes using silicon nanowires, Nature Nanotechnology 3, 31–35 (2008).
3. Tesla& Amprius — What Is Going On? https://cleantechnica.com/2020/08/26/tesla-amprius-what-is-going-on/
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作者簡介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國德克薩斯大學(xué)（奧斯汀）化學(xué)工程博士。主要從事儲能電池開發(fā)工作，先后在跨國企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項美國能源部資助研發(fā)項目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎。在材料學(xué)及儲能領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表論文17篇，擔(dān)任5家國際期刊審稿工作，擁有國際發(fā)明專利申請17項。
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