矽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 的矽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 次循環後電池容量還能保持在93%，而目前主流的三元鋰電池1000 次循環後，容量只能剩下80% 左右。

在理論上證明了矽負極鋰電池，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：

矽負極材料，以及Enovix 的獨家專利：3D Silicon 電池結構。

先說矽負極材料。

眾所周知的是，相比目前主流的石墨負極材料，矽基負極材料有2 大優勢：

首先，單位容量高，數據顯示，採用矽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，意味著矽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，矽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，而矽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，矽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，具體到矽負極電池而言，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，矽嵌鋰形成矽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：矽負極電池在充電過程中會導致矽材料和導電劑脫離，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，矽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 毫米厚的矽片來做電池，用光刻的方式在矽片上製造凹槽，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，提升了矽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 電池在矽板上蝕刻凹槽的時候，會提前為矽負極預埋空隙，用於解決矽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，基於矽負極材料和獨特的電池結構設計，矽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 次以上循環充電後，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 次循環後容量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，採用同樣結構的矽負極鋰電池，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，就是優化芯片矽基板的結構，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，這也契合矽負極電池的優勢。

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。截止到上週五，Enovix 股價報11.12 美元/ 股，市值達到17.44 億美元。

國內矽負極電池有啥進展？

目光再說回國內，矽負極電池研發，現在什麼景象？

就目前來說，矽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。

以廣汽的海綿矽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矽技術，將矽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，同時避免矽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，讓破損的矽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。

最後是梯度複合塗佈技術，通過矽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 年實現矽負極材料的商業化，是國內最早量產矽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 萬噸的矽負極材料生產線。

國軒高科則是在2016 年投建5000 噸矽基材料項目，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矽負極材料。