鋰電池廣泛用于現(xiàn)代各種移動(dòng)設(shè)備中，它具有質(zhì)輕、高效、能量密度高等一系列其它電池?zé)o法比擬的優(yōu)勢(shì)。

然而，傳統(tǒng)鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固有缺陷與制造工藝都會(huì)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(jì)出了當(dāng)前性能最好的鋰電池，制造該電池的技術(shù)有望改變整個(gè)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(jī)、筆記本電腦、汽車等一系列移動(dòng)電子設(shè)備之中，是目前商業(yè)上最搶手的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)之一。

相比于其它化學(xué)電池，鋰電池質(zhì)輕、能量密度高，因此可以將體積做到很小置于現(xiàn)代各種便攜式移動(dòng)設(shè)備中。

如果沒有鋰電池，也就沒有現(xiàn)代如此先進(jìn)的智能手機(jī)、筆記本電腦，電動(dòng)汽車的未來也令人堪憂。

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(diǎn)：成本仍然很高；高溫下不穩(wěn)定；能會(huì)爆炸或引發(fā)火災(zāi)等。

在去年，就發(fā)生了一系列與鋰電池燃燒、爆炸有關(guān)的震驚消息：筆記本電腦被燒毀，航班被取消，懸浮滑板在工作時(shí)起火。在美國，去年因鋰電池起火，三星召回了價(jià)值高達(dá)50億美元的GalaxyNote7智能手機(jī)，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(gè)月的檢測(cè)，今年一月份三星宣布這些故障主要來自于鋰電池的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的鋰電池設(shè)計(jì)起源于特定的歷史背景，這在當(dāng)時(shí)是有意義的。但是我們今天可以利用芯片制造行業(yè)提供的制造工藝來做的更好。

位于美國加州的Enovix公司已經(jīng)證明，他們能夠生產(chǎn)比目前市場(chǎng)上體積更小、更便宜、更安全的鋰電池。

Enovix成立于2007年，該公司的啟動(dòng)資金來源于硅谷的幾家風(fēng)險(xiǎn)投資公司。該公司首先對(duì)是否可用硅代替石墨做可充電鋰電池的陽極材料進(jìn)行概念驗(yàn)證研究。

到2012年，該公司開始生產(chǎn)比傳統(tǒng)鋰電池具有更高能量密度的電池。然后，在戰(zhàn)略投資者賽普拉斯半導(dǎo)體、英特爾和高通的幫助下，Enovix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(jì)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，然后干燥，切成長(zhǎng)條形再將其卷起而制成。如果將化學(xué)漿料涂在金屬箔上，干燥，并將其切成電極片；

然后，將兩個(gè)電極片中間夾一層聚合物電解質(zhì)隔膜，允許離子在兩電極之間流過但不允許電子通過；

最后，將整個(gè)堆疊而成的結(jié)構(gòu)像果凍卷一樣纏繞在一起，這就形成電池的關(guān)鍵部分。

這種設(shè)計(jì)很巧妙，但是要進(jìn)一步提升這些電池的性能變得更加困難。

一方面，這種設(shè)計(jì)很浪費(fèi)空間，限制了能量密度；另一方面，鋰電池的材料選擇，組裝過程會(huì)給電池留下安全隱患。

Enovix電池對(duì)此做出了重要的改進(jìn)：第一，使用硅晶圓光刻技術(shù)在硅晶圓上制造電池；第二，將傳統(tǒng)鋰電池的陽極材料石墨換成了多孔硅。

在組裝好的傳統(tǒng)鋰電池中，儲(chǔ)存能量的材料只有那些構(gòu)成陽極（負(fù)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)，封裝材料以及未被利用的空間占電池總體積的40%，如此大量的、未被利用儲(chǔ)能的空間很大程度上降低了電池的能量密度。

Enovix電池使用了來自芯片行業(yè)的硅晶圓光刻技術(shù)，在1毫米厚的硅晶圓上制造陰極，陽極和隔膜，這顯著地減少了浪費(fèi)的空間。在這種電池中，75％的電池體積用于儲(chǔ)存能量，這比傳統(tǒng)電池增加了約25％的電容量。

類似地，對(duì)于給定容量的電池，電池重量會(huì)成比例地減少。體積通常是電池用于移動(dòng)設(shè)備中更關(guān)鍵的約束。

將電極集成到硅晶圓上，使電池的陰極也更安全。通常，陰極材料都有自己的工作溫度范圍，當(dāng)工作溫度超過臨界溫度，陰極材料就會(huì)自動(dòng)分解，釋放出支持燃燒的氧。

如果這個(gè)過程持續(xù)發(fā)生，就可能造成起火或爆炸。該電池結(jié)構(gòu)將陰極分成了成千上萬個(gè)由硅分離開來的微小部分，硅的導(dǎo)熱速度很快，這就使得因熱擴(kuò)散引起的起火、爆炸變得更加困難。

使用硅作為鋰電池陽極也能減少故障發(fā)生的幾率。當(dāng)鋰離子從鋰金屬氧化物陰極流到石墨陽極（幾乎是在移動(dòng)設(shè)備中的鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)陽極材料）時(shí)，也可能發(fā)生額外的問題。通常，鋰離子位于石墨晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的空隙中。

但是，在大電流、活性陽極材料局部缺乏或低溫的環(huán)境溫度下，都可能導(dǎo)致鋰離子遷移到石墨的表面上。

然后，鋰金屬傾向于以樹枝晶的結(jié)構(gòu)積聚，在電池充電和放電的過程中，樹枝晶會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)，最終刺穿隔膜造成短路，這也可能導(dǎo)致起火或爆炸。

最后，傳統(tǒng)的鋰電池過熱會(huì)變得不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致熱致失效。

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(jìn)一步造成災(zāi)難性的后果。1.熱量產(chǎn)生；2.保護(hù)層破壞；3.電解液分解成易燃?xì)怏w；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(shì):比容量大大地提高。對(duì)于傳統(tǒng)鋰電池而言，電池充電時(shí)，石墨陽極吸收鋰離子形成碳化鋰（LiC6）；電池放電時(shí)鋰離子重新回到電解質(zhì)中，石墨的理論比容量約為372mAh/g。

使用硅作為鋰電池陽極，充電時(shí)硅與鋰能形成Li22Si5合金，電池的理論比容量高達(dá)4200mAh/g，這是非常大的量。

然而，硅替代石墨后會(huì)引入另一麻煩：在硅吸收鋰后，硅體積膨脹厲害，最高可達(dá)4倍，這會(huì)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(huì)使多孔硅材料的孔變得更小，而不至于使整個(gè)陽極膨脹，這就使得電池在重復(fù)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(shì)之一，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(dá)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(jì)帶來了另一優(yōu)勢(shì)：安全性提高了。那么具體是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

一方面，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?yàn)楦裟げ牧媳仨毦哂凶銐虻娜嵝裕阌诰砥稹Ｈ欢芰虾透裟ぴ诟邷叵氯菀资А＿@種平面設(shè)計(jì)允許我們采用陶瓷作為隔膜，增加了耐熱性，降低了失效的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)驗(yàn)表明，上述的重要改進(jìn)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(xiǎn)。

Enovix做了一個(gè)測(cè)試：將一個(gè)容量130mAh的傳統(tǒng)鋰電池和一個(gè)由他們制造的100mAh的硅鋰電池過度充電到各自容量的250%，然后通過標(biāo)準(zhǔn)的針刺測(cè)試。結(jié)果傳統(tǒng)的鋰離子電池突然著火，而硅鋰離子電池卻沒有起火。

Enovix的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)廠：標(biāo)準(zhǔn)的太陽能電池制造設(shè)備生產(chǎn)的3D硅晶圓來源：EnovixCorporation

該電池的制造技術(shù)大部分來源于芯片制造行業(yè)。光刻和硅晶圓已不是第一次改變世界，當(dāng)電腦開始使用集成電路時(shí)，這一切就發(fā)生了。

這些技術(shù)早已被用于生產(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(jì)算機(jī)芯片制造中的該技術(shù)可能會(huì)徹底改變整個(gè)鋰電池行業(yè)。