利用硅陽極電池為下一代電動汽車提供更快速的充電

       為了創造更加可持續的未來，汽車制造商們正努力引進新型的電動汽車（EV）。這些電動汽車的問世會使對于能源的需求發生重大改變，我們需要更強大的快速充電網絡，而硅（Si）陽極電池有可能是實現這一點的關鍵技術。Coretec集團（The Coretec Group）的首席執行官（CEO）Michael Kraft接受了《Power Electronics News》的采訪，我們重點討論了這些新方案的特性，并分析了有哪些材料可以促進電動汽車的發展。 Coretec集團致力于為多個有前景的市場研發并商業化新技術，例如儲能，太陽能，固態照明，可打印電子產品和3D顯示器。

       Kraft說：“我們的研究重心是各種應用于下一代技術的先進材料，以應對各種全球的挑戰性領域，例如半導體，太陽能電池板，LED和用于大功率和快速充電的下一代硅陽極電池。我們一直在尋找用于實現這些下一代技術的材料，以及可以與之合作或可以收購的企業。目前，我們的投資重點是環己硅烷（CHS）的商業化。”

       Kraft指出，Coretec 集團的產品系列主打硅產物的生產，首先是環六硅烷（Si6H12），這是一種液體，當暴露于熱或紫外線時會轉變為純硅，暴露初期形成非晶硅，然后隨著暴露量的增加，轉變為結晶硅。

       CHS是一種純物質，是能量存儲先進應用中的關鍵。通過與Evonik的合作，Coretec集團為客戶提供了CHS樣品進行評估；Evonik可以提供大量生產所需的材料。 CHS的純度可以被改變，來滿足特殊的市場應用需求，并且CHS的定價與其純度有關。 Kraft說：“ Coretec的環己硅烷非常適合那些對硅和/或摻雜硅（C，Ge，B，Co和P）的純度、安全性、快速沉積速率和低溫沉積有著高要求的應用。”

圖1: 環己硅烷的轉化

環己硅烷（CHS）在電動汽車中的重大用途

       電動汽車（EV）是替代普通汽油車輛的一種更環保的選擇，但電動汽車還缺一項關鍵的功能：便捷性。電動汽車的基礎設施和電池容量都無法與當今的汽車相提并論。加油站隨處可見，但電動汽車的充電站卻尚未普及，這意味著駕駛員須在出行前制定詳細的充電計劃。電動汽車需要搭載快速充電功能和支持長距離駕駛的電池，這些高效的基礎設施將有助于電動汽車的成功。

       許多制造商正在尋找新的解決方案（材料），用來克服鋰離子（Li-ion）電池中石墨陽極的局限性。新型硅陽極電池技術可以為電池快速充電，有望在5至10分鐘內充至其容量的80％以上，還不會損壞電池外形，同時還能將能量密度提升2至3倍。

       即將面世的2.0代鋰離子電池將采用新材料，用來增加能量密度并解決電池膨脹問題。Kraft指出，有很多企業正在與材料工程師合作，將納米技術加入到制造過程中，例如加入諸如CHS之類的Si前體。

       Kraft講解到，CHS能提供比傳統前體更快的器件制造速度，更重要的是，它還可以生成非晶納米結構，這意味著電池可以實現快速充電，同時避免膨脹。這種材料還可以使電池能夠承受許多次的充電和放電循環，這也是電動汽車的一個重要考量。

       Kraft說：“ 通過用硅碳納米結構和合金代替鋰離子電池中常用的石墨陽極，Coretec環六硅烷也許能夠提高能量密度。這些材料存儲了更多的鋰離子，在降低電池損耗的同時提高了能量密度。”

CHS是一種液態硅前體，應用在鋰離子電池的陽極。它的液態特性為加工低成本碳硅納米結構提供了優勢，使其能夠直接替代高能鋰離子中的石墨。這種電池的一個主要優勢是擁有更高的充電/放電壽命周期和更高的能量密度。

       Kraft指出，特斯拉表示他們正朝著硅陽極方案邁進，這代表了電動汽車電池的一個重要里程碑。消費者需要一種能夠更快充電，行駛得更遠，使用壽命更長的電池，而當今的材料還不足以應對這一挑戰。

SiC制造的新功能

       電力電子學在寬禁帶材料需求方面正以驚人的速度發展。滿足設計參數的碳化硅（SiC）可以有效地增強電動汽車的動力，并有助于提升電動汽車的系統性能和長期可靠性。

       SiC器件越來越多地用于對尺寸、重量和效率有著嚴格要求的高壓功率轉換器中，與常用的Si器件相比，SiC器件具有許多更有吸引力的特性。SiC器件的導通電阻和開關損耗要低得多，并且SiC的導熱系數要比Si高3倍左右，因此可以更快地散熱。這一點非常重要，因為當硅基器件的面積變小時，電轉換過程中產生的熱量變得更加難以散出，而SiC的散熱效果更好。

       SiC晶片與傳統的Si晶片相比復雜得多，并且由于市場需求量大，在SiC大規模商業化并完全替代傳統形式的Si之前，還有許多障礙問題需要克服。CHS這種硅前體可以在這一點上提供幫助。

       高性能的SiC器件一直以來都受到以下限制：無法在低缺陷密度的半導體晶圓上生長SiC膜，以及如果采用將SiC層粘附到基底上會遇到的其他困難：常見的例子有α-SiC（例如，4H-SiC，6H- SiC）和β-SiC（3C-SiC）。

       β-SiC作為電力電子器件的替代材料，它的廣泛采用還存在一些挑戰。其中特別需要注意的一項挑戰是對于硅前體的需求，采用的硅前體無論從經濟角度還是化學角度上，都要能夠幫助SiC器件研發出先進的薄膜和結構。

       在常規條件下，CHS可以在多種基底上形成β-SiC薄膜。另外，CHS可以幫助β-SiC膜簡單地進行p型摻雜。這種前體可以簡化從運輸到存儲以及硅沉積的過程，從而有助于電力電子技術的發展。Kraft指出，CHS有望以一種高性價比的方式克服SiC半導體生產中的傳統限制。

       電動汽車的自主性直接反映了其動力系統和能源管理系統的效率。除了必要的基礎設施（例如隨處可用的快速充電系統）之外，電動汽車還必須搭載優化了的SiC電力電子設備，以及具有更高能量密度和更短充電時間的Si基陽極電池。電動汽車進行了這些改進后，不僅會被大規模地采用，取代當今的汽油車輛，并且還將創造出世界所需的可持續電動汽車。

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