基恩伯迪切夫斯基，作為特斯拉的第7號(hào)員工，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)為特斯拉的第一款汽車Roadster設(shè)計(jì)了鋰離子電池組，這款汽車讓全世界相信了電動(dòng)汽車的重要性。十年后，電動(dòng)汽車可以與普通的耗油汽車相抗衡，但在電池的保質(zhì)期和電池的能量容量之間仍然存在很大的權(quán)衡。伯迪切夫斯基意識(shí)到，假如想要讓我們的道路完全電氣化，就要采取一種完全不同的方法。

2011年，伯迪切夫斯基創(chuàng)立了SilaNanotechnologies來制造更好的電池。他的秘密成分是納米硅粒子，當(dāng)它們用作電池的負(fù)極時(shí)，可以給鋰離子電池充電。如今，Sila是少數(shù)幾家競(jìng)相將鋰硅電池帶出實(shí)驗(yàn)室、投入現(xiàn)實(shí)世界的公司之一。在現(xiàn)實(shí)世界中，它們有望在從耳塞到汽車等各種電子設(shè)備的外形和功能方面開辟新的前沿。

SilaNano長(zhǎng)期方針是高能電動(dòng)汽車，但目前第一步是向小型設(shè)備進(jìn)軍。伯迪切夫斯基計(jì)劃明年在消費(fèi)電子產(chǎn)品中使用第一塊鋰硅電池，他說，這將使電池每次充電的續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)20%。作為大多數(shù)現(xiàn)代電子產(chǎn)品的數(shù)碼心臟原料，硅和鋰是與蝙蝠俠和羅賓齊名的動(dòng)態(tài)組合。

當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子會(huì)流向負(fù)極，負(fù)極通常由一種叫做石墨構(gòu)成。假如你把石墨換成硅，更多的鋰離子可以儲(chǔ)存在負(fù)極上，這就新增了電池的能量容量。但是把所有這些鋰離子塞進(jìn)電極會(huì)導(dǎo)致它像氣球相同膨脹;在某些情況下，它甚至可以上升到四倍大。

膨脹的負(fù)極可以粉碎納米硅顆粒，并打破負(fù)極和電池電解質(zhì)之間的保護(hù)屏障，從而將鋰離子輸送到電極之間。隨著時(shí)間的推移，負(fù)極和電解液之間的邊界處會(huì)形成污垢，既阻礙了鋰離子的有效轉(zhuǎn)移，又使許多鋰離子失去功效。

解決這個(gè)問題的一種方法是在石墨陽(yáng)極上撒上少量的氧化硅。這就是特斯拉目前的電池方式。氧化硅是預(yù)膨脹的，所以它減少了負(fù)極在充電過程中膨脹的壓力。但它也限制了可以儲(chǔ)存在正極的鋰數(shù)量。以這種方式給電池充電不足以帶來兩位數(shù)的性能提升，但有總比沒有要好。

NanoGraf的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官凱瑞海納認(rèn)為，可以在不損失硅氧化物的能量容量的情況下充分利用硅和石墨。在NanoGraf，他和他的同事通過在石墨烯中嵌入硅顆粒來提高碳硅電池的能量。他們的設(shè)計(jì)使用了石墨烯基質(zhì)，使硅有膨脹的空間，并保護(hù)負(fù)極不受電解液的破壞。海納說，石墨硅陽(yáng)極可以使鋰離子電池的能量新增30%。

但是要把這個(gè)數(shù)字推到40%到50%的范圍，你必須把石墨完全排除在外。多年來，科學(xué)家們已經(jīng)了解如何制造硅陽(yáng)極，但他們一直在努力擴(kuò)大制造過程中涉及的先進(jìn)納米工程流程。

Sila是最早發(fā)現(xiàn)如何大規(guī)模生產(chǎn)硅納米顆粒的公司之一。他們的解決方法是將硅納米顆粒封裝到一個(gè)堅(jiān)硬的外殼中，以保護(hù)它們不受電池電解液的破壞。外殼的內(nèi)部基本上是一個(gè)硅海綿，它的多孔性意味著它可以適應(yīng)電池充電時(shí)的膨脹。

這與材料制造商Advano采用的方法類似，后者在新奧爾良的廠生產(chǎn)成噸的硅納米顆粒。為了降低生產(chǎn)納米顆粒的成本，阿德瓦諾的原材料來自于生產(chǎn)太陽(yáng)能電池板和其他電子產(chǎn)品的公司的硅片。阿德瓦諾廠使用化學(xué)工藝將晶圓磨成高度工程化的納米顆粒，用于電池負(fù)極。

“真正的問題不是‘我們能得到一個(gè)強(qiáng)大的電池嗎?'問題是，我們能否讓電池便宜到足以制造數(shù)萬(wàn)億個(gè)這樣的電池?”Advano的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官亞歷山大吉羅表示。

到目前為止，這些公司都沒有看到他們的陽(yáng)極材料被用于消費(fèi)產(chǎn)品，但他們都在與電池制造商進(jìn)行談判，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。Sila預(yù)計(jì)其陽(yáng)極將在一年內(nèi)用于無(wú)線耳機(jī)和智能手表。投資了ipod聯(lián)合創(chuàng)始人托尼法德爾(TonyFadell)的Advano也在進(jìn)行談判，希望在不久的將來將其陽(yáng)極應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。雖然離電動(dòng)汽車還有很長(zhǎng)一段路要走，但證明這項(xiàng)技術(shù)在電子產(chǎn)品中也能發(fā)揮用途，是朝著這個(gè)方向邁出的一小步。

佐治亞理工學(xué)院的材料科學(xué)家馬修麥克道爾(MatthewMcDowell)說:“電池的發(fā)展速度不如其他技術(shù)領(lǐng)域，比如計(jì)算機(jī)。”他說，原因在于電池負(fù)極用硅代替石墨所涉及的變量之間復(fù)雜的相互用途。這不僅僅是新增能量密度的問題，還要確保這不會(huì)降低電池的熱穩(wěn)定性、充電率或壽命。

麥克道爾說:“大規(guī)模設(shè)計(jì)新材料，在滿足所有其他指標(biāo)的同時(shí)提高產(chǎn)量，是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

這就是為何公司從小型消費(fèi)電子產(chǎn)品開始，制造第一波硅鋰離子電池。斯蒂芬森可再生能源研究所的主任勞倫斯·哈德威克說，它們是“唾手可得的果實(shí)”。電子產(chǎn)品中的電池只能使用幾年。電動(dòng)汽車要電池壽命超過10年，并能處理日常充電、各種溫度變化和其他獨(dú)特的壓力。哈德威克說，制造一種能在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持高能量的鋰硅電池是一個(gè)“更大的挑戰(zhàn)”。

伯迪切夫斯基很清楚大規(guī)模生產(chǎn)一種可用于電動(dòng)汽車的鋰硅電池所面對(duì)的障礙。他預(yù)計(jì)至少要到2025年才能在商用電動(dòng)汽車上看到硅陽(yáng)極。但他相信，一旦他們問世，它將再次重塑汽車工業(yè)。