然而，傳統(tǒng)鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計的固有缺陷與制造工藝都會使鋰電池具有不可避免的安全隱患。得益于芯片制造技術(shù)，Enovix設(shè)計出了當前性能最好的鋰電池，制造該電池的技術(shù)有望改變整個鋰電池行業(yè)。
鋰電池是現(xiàn)代數(shù)字化革命的主力軍。它已經(jīng)廣泛用于手機、筆記本電腦、汽車等一系列移動電子設(shè)備之中，是目前商業(yè)上最搶手的能量存儲系統(tǒng)之一。
自鋰電池商業(yè)化以來，雖然它在商業(yè)上已經(jīng)非常成功，但它仍然有明顯的缺點：成本仍然很高；高溫下不穩(wěn)定；能會爆炸或引發(fā)火災等。
去年就發(fā)生了一系列與鋰電池燃燒、爆炸有關(guān)的事件：筆記本電腦被燒毀，航班被取消，懸浮滑板在工作時起火。在美國，去年因為鋰電池起火，三星召回了價值高達50億美元的Galaxy Note 7智能手機，并中止了該模型的繼續(xù)使用，這使得三星的市值減少了數(shù)十億美元。
經(jīng)過幾個月的檢測，三星在今年一月宣布這些故障主要來自于鋰電池的設(shè)計。傳統(tǒng)的鋰電池設(shè)計起源于特定的歷史背景，但是今天可以我們完全可以利用芯片制造制造工藝提高鋰電池的生產(chǎn)水平。
位于美國加州的Enovix公司已經(jīng)表示，他們能夠生產(chǎn)比目前市場上體積更小、更便宜、更安全的鋰電池。
Enovix成立于2007年，啟動資金來源于硅谷的幾家風險投資公司。該公司的第一個項目是，研究是否能用硅代替石墨做可充電鋰電池的陽極材料。
2012年，該公司已開始生產(chǎn)比傳統(tǒng)鋰電池具有更高能量密度的電池，并在英特爾、高通和普拉斯半導體的戰(zhàn)略投資下，開始開發(fā)低成本、大批量的生產(chǎn)系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的鋰電池設(shè)計起源于索尼公司生產(chǎn)磁帶的過程：
- 磁帶是在塑料薄膜帶基上涂覆磁漿、干燥、切成長條形并卷起而制成。如果將化學漿料涂在金屬箔上干燥并切片，就能成電極；
- 然后，將兩個電極片中間夾一層聚合物電解質(zhì)隔膜，在允許離子劉東宇電極之間的同時不允許電子通過；
- 最后將整個堆疊而成的結(jié)構(gòu)像壽司卷一樣纏繞在一起，這就形成了圓柱形電池的主要部分。
這種設(shè)計雖巧妙，但如果要在此基礎(chǔ)上進一步提升電池性卻十分困難。這種設(shè)計很浪費空間，限制了能量密度，還會在材料選擇、組裝過程中留下安全隱患。
Enovix電池對此做出了重要的改進：第一，使用硅晶圓光刻技術(shù)在硅晶圓上制造兩極；第二，將傳統(tǒng)鋰電池的陽極材料石墨換成了多孔硅。
圖 | 傳統(tǒng)鋰電池的內(nèi)部橫截面視圖，電池陽極薄片、陰極薄片
被聚合物隔膜分開，壓平并裝入金屬外殼中
在組裝好的傳統(tǒng)鋰電池中，儲存能量的材料僅限于構(gòu)成陽極（負電極）和陰極（正電極）的顆粒。通常情況下，金屬箔集流體，電解質(zhì)，封裝材料以及未利用的空間會占到電池總體積的40%，如此巨大的浪費很大程度上降低了電池的能量密度。
類似地，對于給定容量的電池，電池重量會成比例地減少。體積通常是電池用于移動設(shè)備中更關(guān)鍵的約束。
圖 | 密集封裝：該鋰電池結(jié)構(gòu)包括陰極、100%的硅陽極和陶瓷隔膜定向、
交錯地排列在厚度為1毫米的薄平面上，顯著提高了電池能量密度和安全性
將電極集成到硅晶圓上，也會使電池的陰極安全。通常，陰極材料都有不同的工作溫度限制，當工作溫度超過臨界溫度，陰極材料就會自動分解，釋放出支持燃燒的氧。
如果這個過程持續(xù)發(fā)生，就可能造成起火或爆炸。而Enovix將陰極分成了成千上萬個由硅分離開來的微小部分，硅的導熱速度很快，于是降低了由熱擴散引起的起火爆炸的可能性。
使用硅作為鋰電池陽極也能減少故障發(fā)生的幾率。通常，離子從鋰金屬氧化物陰極流到石墨陽極（移動設(shè)備中的最普遍使用的陽極材料）的過程中也可能發(fā)生意外，而鋰離子位于石墨晶體點陣結(jié)構(gòu)的空隙中。
但是，在電流較大、活性陽極材料局部缺或極端低溫的情況下，鋰離子都有可能遷移到石墨的表面上。因為金屬鋰傾向于以樹枝晶的結(jié)構(gòu)積聚，所以在電池充電和放電的過程中，枝狀結(jié)晶會生長并最終刺穿隔膜造成短路，這也可能導致起火或爆炸。
而且，傳統(tǒng)的鋰電池過熱會變得不穩(wěn)定，并可能發(fā)生熱致失效。
圖 | 熱致失效：磁性記錄帶生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的傳統(tǒng)鋰電池結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)易受熱量的影響，可能產(chǎn)生爆炸或起火現(xiàn)象，進一步造成災難性的后果。
1.熱量產(chǎn)生；2.保護層破壞；3. 電解液分解成易燃氣體；4.隔膜熔化，可能造成短路；5.陰極破壞，產(chǎn)生氧 圖片來源：llustration
硅陽極還有另一大優(yōu)勢:比容量大大地提高。對于傳統(tǒng)鋰電池而言，電池充電時，石墨陽極會吸收鋰離子形成碳化鋰（LiC6）；電池放電時，鋰離子重新回到電解質(zhì)中，而石墨的理論比容量約為372mAh/g。
如果使用硅作為鋰電池陽極，硅能與鋰能形成Li22Si5合金，電池的理論比容量就能達到非常大的4200mAh/g。
然而，硅替代石墨后會引入另一麻煩：在硅吸收鋰后，硅的體積會迅速膨脹，最多可達原體積的4倍，這會使電池結(jié)構(gòu)的完整性被破壞。
Enovix電池使用多孔硅解決了這一問題：在充放電的過程中，膨脹會使多孔硅材料的孔變得更小，而不至于使整個陽極膨脹，這就使得電池在重復充放電循環(huán)期間電池結(jié)構(gòu)的完整性能夠得以保持。
這種控制陽極膨脹的能力是Enovix電池系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢之一，并超越了索尼率先開發(fā)的傳統(tǒng)鋰離子電池結(jié)構(gòu)。相同體積條件下，Enovix電池容量可達傳統(tǒng)鋰電池容量的1.5-3倍。
平整的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計還帶大幅度提高了安全性。
該電池使用了更好的隔膜。在傳統(tǒng)的鋰電池中，隔膜通常由塑料或高分子材料制成，因為隔膜材料必須具有足夠的柔性，便于卷起。然而，塑料和隔膜在高溫下容易失效。然而這種平面設(shè)計允許電池采用陶瓷作為隔膜，增加了耐熱性，降低了失效的風險。
實驗表明，上述的重要改進不僅提高了鋰電池的容量，也基本上就消除了爆炸和起火的危險。
Enovix做了一個測試：將一個容量130mAh的傳統(tǒng)鋰電池和一個由他們制造的100mAh的硅鋰電池過度充電到各自容量的250%，然后進行標準的針刺測試。最終傳統(tǒng)的鋰離子電池著火，而硅鋰離子電池卻沒有起火。
Enovix的另一個實驗表明，相同條件下，這種新型硅鋰電池比傳統(tǒng)鋰電池具有更高的容量。
圖 | 位于加利福尼亞州弗里蒙特的Enovix試點廠：
標準的太陽能電池制造設(shè)備生產(chǎn)的3D硅晶圓
來源：Enovix Corporation
該電池的制造技術(shù)大部分來源于芯片制造行業(yè)。而光刻和硅晶圓已不是第一次改變世界了。當電腦開始使用集成電路時，這一切該技術(shù)就已對技術(shù)進步產(chǎn)生深刻影響。
該技術(shù)也被用于生產(chǎn)發(fā)光二極管、陰極射線管、激光器、視頻顯示器等許多產(chǎn)品。使用來自計算機芯片制造中的該技術(shù)可能會徹底改變整個鋰電池行業(yè)。
