硅负极锂电池，迎来一则最新进展：
美国电池制造商 Enovix，在一块 0.27Ah 的硅负极动力电池单元上，成功实现 0-80% 充电只用 5.2 分钟；0-98% 充电在 10 分钟以下的 6C 快充。
比美国先进电池联盟（USABC）目前快充目标减少近 2/3。而且，这个数据还是在保证电池寿命的前提下实现的，官方循环寿命数据：
1000 次循环后电池容量还能保持在 93%，而目前主流的三元锂电池 1000 次循环后，容量只能剩下 80% 左右。
在理论上证明了硅负极锂电池，快充和电池循环兼得的可行性。而这背后的技术，正是 Enovix 的看家专利：3D Silicon 电池结构。
兼顾使用寿命和速度，如何做到？
Enovix 在官方的新闻稿中给出 2 大关键信息：
硅负极材料，以及 Enovix 的独家专利：3D Silicon 电池结构。
先说硅负极材料。
众所周知的是，相比目前主流的石墨负极材料，硅基负极材料有 2 大优势：
首先，单位容量高，数据显示，采用硅作为负极材料的锂电池，理论容量可以达到 4200mAh / g，相比之下，目前主流的锂电池单位容量则为 365mAh / g，两者差距在 10 倍以上。
用“电池容量 = 单位能量密度 × 体积 / 质量”的公式简单推导，意味着硅基电池的能量密度也可以达到石墨负极材料的 10 倍以上。
其次，也是经济和环境方面的优势，硅材料在地球的矿物储量中极为丰富，而且本身对环境更为友好。
最后，石墨负极锂电池在充放电过程中，会因为锂电镀过程而形成枝晶，从而可能穿透隔膜引起短路等安全问题，这也是影响锂电池充电速度的重要因素，而硅元素则可以抑制枝晶的生长，从而在充电速度上形成优势。
基于以上优势，硅负极电池也被看作未来锂电池的发展方向。
“未来”，代表趋势，也代表还有未解决的问题，具体到硅负极电池而言，想要成功在电动车领域商业化，还要扫除 1 个最重要的障碍：
首先，充电膨胀问题，数据显示，硅嵌锂形成硅锂合金化合物的过程中，体积膨胀可以达到 300%-400%，远远高于石墨负极材料电池。
这种特性有 2 个隐患：硅负极电池在充电过程中会导致硅材料和导电剂脱离，导电性降低，结果是电池容量快速衰减，降低循环寿命；
巨大的膨胀变化会使电极膜变大开裂，最终使活性材料从集流体上脱落，导致电池内阻增加，发热量加大，带来严重的电池安全问题。
所以综合来看，硅负极材料优势很明显，电池容量和能量密度有巨大优势，但劣势同样明显：寿命短。
这两个问题，从当下纯电动车动力电池的需求角度看，几乎就是原罪。Enovix 如何解决？
这里就要讲到第二个关键点：3D Silicon 电池结构。
先说传统的缠绕式电池结构，是将电池正负极以及隔膜叠加起来，然后像卷纸一样卷起来，差不多就是下面的样子：
传统结构的缺点在于，为了避免电池内部出现短路，一般会将隔膜做的比正负极更宽，浪费了储能的空间。
而 3D Silicon 电池结构，是这样的：
根据官方信息，这种结构设计参考了芯片的制造工艺。
具体来看，就是用一块 1 毫米厚的硅片来做电池，用光刻的方式在硅片上制造凹槽，然后在凹槽中用电镀的方式镀上电池的导电层，然后在凹槽中再填充正极材料和隔膜。
官方数据显示，这种结构，能将储能物质的空间利用率提升至 75%，可以在单位容量上减小电池体积。
除了容积的提升，这种电池结构更大的优势在于，在保证高能量密度和快充速率的基础上，提升了硅负极电池的循环次数和使用安全。
而这方面，Enovix 并未透露，但我们在查阅 Enovix 相关的论文和专利时，发现了 2 个关键点：
一方面，是微观层面，3D Silicon 电池在硅板上蚀刻凹槽的时候，会提前为硅负极预埋空隙，用于解决硅嵌锂过程中膨胀可以内部消化，而不至于挤压电池空间，形成短路。
另一方面，3D Silicon 电池还用到了一种叫做 BrakeFlow 的技术，来抑制电池在发生短路的情况下热失控。
具体来说，就是在多个电池板叠加的情况下，在连接每个单元的母线设定一个固定的电阻，这样在内部短路的情况下，就可以通过 BrakeFlow 调节通过短路处的电流，限制让短路区域过热出现热失控的情况。
但这个 BrakeFlow 的发生机制和背后原理，Enovix 官方并未透露。
最后一个问题，基于硅负极材料和独特的电池结构设计，硅负极电池具体表现怎么样？
Enovix 放出了实验结果：
基于一块 0.27Ah 的电池单元，在 4.2–2.5V 电压，6C 充电倍率（电池容量的 6 倍）的情况下，实现了 0-80% 充电时间 5.2 分钟，98% 电量以上的充电时间保持在 10 分钟以内。
同时，能够在 1000 次以上循环充电后，依然保持 93% 的电池容量，性能远远高于目前主流三元锂电池 1000 次循环后容量 80% 左右的数据。
当然，这只是在 0.27Ah 小电池单元上实现的实验数据，最终能否成功商业化，还是个未知数。
不过从官方的业务中可以看出，采用同样结构的硅负极锂电池，已经在 3C 消费领域得到商业应用，据悉其产品能量密度可以达到 900Wh / L。
而根据 Enovix 此前的规划，进军电动车动力电池领域，定在了 2023-2024 年。
Enovix 是谁？
说完技术，背后的 Enovix 需要关注和起底。
官方信息显示，Enovix 是一家美国电池制造商，成立于 2007 年，总部位于加州。核心创始团队有 3 人，有意思的是，这 3 人在创立 Enovix 之前，没有一个人的背景与电池有关，反倒是供职于同一家公司：
FormFactor，一家半导体产品的制造商。
现在也能够理解，Enovix 为什么会用造芯片的思路造电池了吧。
其中，联合创始人兼 CEO 哈罗德-拉斯特（Harrold Rust），曾在斯坦福大学获得机械工程硕士学位，是 Enovix 的商业掌舵人，在 FormFactor 之前，曾在 IBM 供职，领导 IBM 在亚洲、中美洲和欧洲的全球磁盘驱动头业务的财务计划责任。
联合创始人兼 CTO 阿肖克-拉希里（Ashok Lahiri），是 Enovix 的技术核心，Enovix 3D 电池结构相关的大多数专利，都有他的参与。
而且需要注意的是，拉希里在 FormFactor 供职期间，主要的任务，就是优化芯片硅基板的结构，这也为其后来开发 3D 电池结构打下基础。
联合创始人兼副总裁穆拉里-拉马苏布拉姆尼安（Murali Ramasubramanian），曾经在 FormFactor 负责新材料和结构的研究开发，曾经主导了 FormFactor 半导体晶圆测试的三维 MEMS 接触技术研发。
商业模式方面，Enovix 在电池领域最先打入的赛道是小型电子设备，包括可穿戴设备以及 3C 消费电子等。
而以可穿戴设备作为突破点的原因，据官方招股书披露，是基于成本的考量，可穿戴设备行业对电池成本不那么敏感，但对于能量密度要求更高，这也契合硅负极电池的优势。
截止到目前，Enovix 成品电池的能量密度已经可以达到 900Wh / L，同时已经通过深度循环 500 次的测试。
对于后续的规划，因为消费类电子的市场规模远不足电动车市场，Enovix 计划通过 3D 电池结构技术，在 2023=2024 年进入动力电池领域，目前已经在相关业务上与三菱汽车达到合作。
融资进展上，截止到 2020 年初，Enovix 已经进行了 6 轮累计近 2 亿美元的融资：
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2007 年 3 月，A 轮融资 230 万美元，投资方为 DCM Ventures；
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2008 年 9 月，B 轮融资 1200 万美元，投资方为 Trinity Ventures；
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2012 年 3 月，C 轮融资 1500 万美元，投资方为 DCM Ventures 和 Sofinnova Investments；
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2016 年 4 月，D 轮融资 1 亿美元，由英特尔领投，Qualcomm，Cypress 赛普拉斯半导体跟投；
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2018 年 8 月，获得 1700 万美元风投资金，投资方不详；
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2020 年 3 月，获得 E 轮融资 4500 万美元，由赛普拉斯半导体创始人 T・J・Rodgers 个人投资。
从投资人来看，Enovix 有英特尔这样的巨头，也有赛普拉斯这样的半导体公司，但唯独没有主机厂的投资。
2021 年 2 月，Enovix 通过 SPAC 合并借壳上市，融资金额 4.05 亿美元，估值 11 亿美元。截止到上周五，Enovix 股价报 11.12 美元 / 股，市值达到 17.44 亿美元。
国内硅负极电池有啥进展？
目光再说回国内，硅负极电池研发，现在什么景象？
就目前来说，硅负极电池已经成为电池制造商和主机厂重点发力的领域，但从技术路线来说，国内主要是在材料进行突破，而不是电池结构。
以广汽的海绵硅负极片电池技术为代表，分别是在电极材料、粘合剂和修复技术上入手，具体来看：
首先是通过纳米复合硅技术，将硅材料控制在纳米尺度，并在表面覆盖保护层用以控制微观状态，同时避免硅元素与电解液的直接接触，从而控制充放电过程中的体积膨胀。
其次是在极片连接上采用具有自修复功能的粘合剂技术，让破损的硅负极可以在膨胀收缩过程中得以自我修补，保证电极结构稳定性。
最后是梯度复合涂布技术，通过硅负极极片活性组分与非活性缓冲组分的梯度分布设计，大幅提升了活性层与集流体的结合力，改善了负极极片本体的结构稳定性。
除此之外，商业化方面，则是以贝特瑞、国轩高科等电池产业链玩家走在前面。
其中贝特瑞已经在 2013 年实现硅负极材料的商业化，是国内最早量产硅负极材料的企业之一，就在不久前，贝特瑞还在深圳投资建设了年产 4 万吨的硅负极材料生产线。
国轩高科则是在 2016 年投建 5000 吨硅基材料项目，并在去年年初发布 210Wh/kg软包磷酸铁锂电芯，宣布首次在磷酸铁锂化学体系中成功应用硅负极材料。
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