Enovix剛剛上市：像做芯片一樣用光刻技術(shù)做全硅負極電池
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：2021-02-26
【概要描述】2月22日宣布上市以來，股價起伏劇烈，值不值得投資且看對其電池技術(shù)的分解。
Enovix這家做全硅負極鋰電池的公司這幾天突然引起人們的注意，因為它在2月22日宣布與一家殼公司達成協(xié)議將借殼上市，暨美股里所謂的SPAC IPO（Special Purpose Acquisition Company）。這家殼公司名叫RodgersSilicon Valley Acquisition Corp. 其美股代號是RSVA，手里持有的2.3億美元資金將通過此次合并兌換成Enovix的股份。合并進程預計將在2021年的第二個季度完成，屆時Enovix總共將獲得4.05億美元融資作為后續(xù)階段的發(fā)展，而公司估值將達到11億美元。
在2月22日宣布借殼上市的當天，RSVA的股價從前一天的收盤價15.75美元急速拉升，最高點漲到了28.5美元，幾乎翻倍。RSVA公司的市值在最高點達到了8.2億美元，是其手里持有2.3億美元資產(chǎn)的3.5倍，意味著有投資者相信這2.3億美元兌換來的Enovix股份將價值8.2億美元。然而當情緒冷卻下來后，RSVA公司的股價開始連續(xù)下滑。截止到2月25日收盤，股價已跌至16.56美元，總市值也收縮到4.76億美元。為什么Enovix的IPO沒有去年末QuantumScape（上市后市值增長了10倍）那么火爆？我們可以嘗試從其技術(shù)方面來一探究竟。
Enovix公司于2007年成立，創(chuàng)始人團隊來自IBM做硬盤讀寫探頭的部門，他們將制造讀寫探頭的技術(shù)移植到電池生產(chǎn)上，使用光刻技術(shù)來精耕細作電池設計。這個技術(shù)路線與其他做硅負極材料的公司很不一樣，別的公司主要在硅顆粒上面做文章，而Enovix則注重在工程設計與制造工藝上面。Enovix認為目前的電池封裝工藝中空間利用率太低，實際的儲能材料只占總體積的60%不到，而他們采用的電池設計可以讓儲能材料占到電池總體積的75%以上，在相同大小的電池里能放置更多的儲能材料，則相當于提升了電池的儲能密度。
下圖是傳統(tǒng)鋰電池的剖面圖，其封裝過程是將單層電池做成長條形，其中包含了正負導電金屬箔、正負電極、隔膜各一層疊在一起，然后像卷手紙一樣繞著中間的軸卷起來，最后用金屬或其他材料的外殼包裝起來。這種設計使用的金屬箔片比較厚，因為在生產(chǎn)過程中需要承受一定的沖擊力不能破裂。此外，隔膜一般要比正負極材料和金屬箔寬一些，以避免正負極材料意外接觸短路。以上這些設計上的考量，都會增加非儲能空間。
Enovix則借用了芯片和太陽能板的生產(chǎn)工藝，用一塊1毫米厚的硅片來做電池。下圖是一塊硅片的俯視圖，Enovix用光刻的方式在硅片上蝕刻出長條紋的凹槽，然后在凹槽里分別電鍍上正負極的導電層，再分別填入正極材料和隔膜，從而得到從左至右依次重復的電池結(jié)構(gòu)。這個電池結(jié)構(gòu)將空間利用得非常充分，所以能將儲能物質(zhì)的空間占比提升到75%以上。
我們再用下面的示意圖來探索一下詳細的電池制作工藝。首先將硅片蝕刻到只剩下圖中的黑色部分——厚的豎條紋和薄的豎條紋。在薄的豎條紋上用電鍍包裹上一層正極導電箔（圖中藍色部分），這個導電箔的厚度遠遠小于傳統(tǒng)鋰電池的金屬箔（1微米vs.10微米）。而厚的豎條紋則是全硅負極，在硅負極上用電鍍包裹上一層負極導電箔（圖中紫紅色部分）。接著在厚的豎條紋兩側(cè)涂抹上陶瓷顆粒，通過高溫燒結(jié)形成陶瓷隔膜（圖中黃色部分）。最后在厚的和薄的豎條紋之間填充滿正極材料，電池的結(jié)構(gòu)就大功告成。
雖然這樣的電池片厚度只有一毫米，但是Enovix將他們層疊起來可以達到需要的電池厚度。不同層之間的電池再以特殊的連接工藝將所有的正極導電箔連到電池正極上，將所有的負極導電箔連到電池的負極上。而電池片的生產(chǎn)工藝可以采用如下圖所示的流水線式生產(chǎn)方式，從而可以做到規(guī)模化量產(chǎn)。
我們再講講它的全硅負極。在上述的制造工藝里，我們提到光刻之后剩下的黑色厚條紋就是全硅負極。而Evonix在很多地方都提到，他們的全硅負極設計了電極內(nèi)部的空隙，以滿足硅材料吸收鋰離子后的體積膨脹，而不會向電極外部擴張擠破電池。Evonix并沒有介紹過他們?nèi)绾卧谌柝摌O里制造空隙，而我們通過查詢該公司申請的專利，注意到以下的一些設計，這些微結(jié)構(gòu)可以通過光刻蝕實現(xiàn)。因此我們猜測，Enovix在光刻硅片的時候，也可以同時加入對全硅負極的刻蝕，從而在負極內(nèi)部制造出不同形式的空隙，預留給充電時的體積膨脹。
最后，我們討論一下Enovix的商業(yè)模式。Enovix的投資者里有Intel，Qualcomm，Cypress賽普拉斯半導體公司這些半導體巨頭，但是沒有任何與汽車或動力電池相關(guān)的公司。通過上面我們對其電池生產(chǎn)工藝的分析，其規(guī)模生產(chǎn)成本相較于傳統(tǒng)鋰電池來說必然要高很多。而Enovix自己發(fā)布的公司發(fā)展規(guī)劃，也是先著眼于小型電子設備、可穿戴設備這些對能量密度要求較高，對電池成本不那么敏感的大眾消費電子產(chǎn)品。Enovix成品電池的能量密度可以達到340 Wh/kg或900 Wh/L，也已通過深度循環(huán)500次的測試，滿足消費電子的要求。他們的第一條規(guī)模生產(chǎn)線正在加州建設，預計2021年開始投產(chǎn)。由于消費電子的電池市場相對于電動車市場來說非常小，所以Enovix也計劃在兩三年內(nèi)開始向動力電池領(lǐng)域進軍。他們在2020年拿到的一個美國能源部資助的研發(fā)項目里，就與日本三菱汽車公司達成了合作關(guān)系，將開始探索這種獨特的電池設計用于動力電池的可行性?？偠灾?，Enovix的電池技術(shù)和商業(yè)模式?jīng)Q定了它針對的市場不如動力電池公司的寬廣，這也就解釋了為什么這家公司上市的火爆程度遠不及QuantumScape那樣轟動。
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參考文獻：
1. QuantumScape公司官網(wǎng)https://www.quantumscape.com/
2. Howto Build a Safer, More Energy-Dense Lithium-ion Battery。https://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/how-to-build-a-safer-more-energydense-lithiumion-battery
3. Three-dimensionalbatteries and methods of manufacturing the same，美國專利申請?zhí)?0256500。
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作者簡介：
謝偉博士，清華大學材料學學士和碩士，美國德克薩斯大學（奧斯?。┗瘜W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。在材料學及儲能領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表論文17篇，擔任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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