CalBattery推出硅-石墨烯锂电池正极材料

    加利福尼亚锂电池研究小组与美国阿贡国家实验室联合推出了第三代硅-石墨烯复合阳极材料，并采用先进的阴极材料和电解液溶剂，其能量密度达到525瓦时/千克，电池负极容量为1250毫安时/克。

    今年早些时候，加利福尼亚电池研究小组与美国阿贡国家实验室共同研发锂电池，结合硅-石墨烯正极材料和其他先进的电池材料制造出了容量超过400安时的方形蓄电池，将应用于电动车领域上。

    阿贡实验室的技术需要使用先进的气相沉积法，从理论上来说，它是很简单的：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。然而，实际上， 反应室中的反应是很复杂的，有很多必须考虑的因素，沉积参数的变化范围是很宽的：反应室内的压力、晶片的温度、气体的流动速率、气体通过晶片的路程(如图所示)、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。额外能量来源诸如等离子体能量，当然会产生一整套新变数，如离子与中性气流的比率，离子能和晶片上的射频偏压等。

    在锂电池中该方法的应用过程为：将纳米硅粒子嵌入到石墨烯层中。这个方法使得在不增加电池容量的情况下，大幅增大了电池阳极的能量密度，解决了锂电池第一次充电缺乏效率以及随着充电次数增加容量变小的问题。

    实验室进行了独立完整电池单元测试，测试结果表明其能量密度提高了近3倍，电池正极容量提高了近4倍。目前市场上锂电池的能量密度为100-180瓦时/千克，而正极容量为325毫安时/克。

    这款锂电池的关键技术就是采用了阿贡实验室的硅-石墨烯加工工艺，使电池正极的硅粒子在使用时趋于稳定（其原本的特性是：体积会随着充电放电过程而急剧变化），达到高水平工作效率。虽然硅粒子吸收锂离子的能力相比其他材料提高了近10倍，但是他在充放电过程中的性能退化也非常明显。近几年正是在研究新的正极材料、电解液溶剂，使其能充分吸收锂离子以达到高效的目的。

    美国阿贡实验室表示，先进的阳极材料最终能够代替传统的基于石墨烯的材料，成为现今锂电池正极的新型材料。复合正极材料能够与目前大部分新推出的锂电池的负极材料和电解液溶剂兼容，提升电池性能，降低锂电池充放电循环的成本。

    未来的两年内，该联合研究小组计划将硅-石墨烯复合正极材料广泛应用于全球的锂电池上；并在美国进行小规模生产用于高端产业上。