特斯拉是使用什么方案来解决硅阳极的问题

为何要在电池中使用硅？电池成本加速了全球向可持续能源的转型。你需要真正“便宜如土”的材料。硅是地壳中含量第二丰富的元素，不仅储量丰富，且相对容易从矿物中提取。其次，硅的储能量约为石墨的9倍。然而，硅在嵌入锂时会膨胀300%。这种膨胀会迅速破坏电池材料并缩短电池寿命。  
硅储存锂的方式与传统插层石墨不同，锂只能与有限量的硅合金化，超过临界尺寸后硅会破裂并分解。当粉化开始发生时存在一个临界尺寸阈值。低于150纳米的颗粒不会自行粉化。但低于150纳米的颗粒难以大规模生产且成本高昂，还会导致更高的首圈损耗。

1.什么是首圈损耗？

我将以石墨为例解释，电池首次充电时，阳极颗粒上的电负载使其与电解液发生反应，形成“固体电解质界面”（SEI）。SEI保护内部颗粒并延长电池循环寿命，但这种保护是有代价的——SEI由电池充放电所需的锂构成。更小的颗粒（例如低于1微米，尤其是低于150纳米的颗粒）拥有更大的表面积，会吸收更多锂。  
这种效应如此显著，以至于在某些情况下，向电池中添加硅纳米颗粒不会提供额外的能量容量，因为大量锂被用于形成SEI层。换句话说，使用低于150纳米的颗粒可能违背添加硅的初衷。  高于150纳米时，颗粒开始自行粉化。这再次导致能量容量损失，因为SEI会围绕粉化后的碎片(小于150纳米)形成。迄今为止，150纳米似乎是硅颗粒的“甜点尺寸”，因为这是不粉化的最大颗粒尺寸。  
然而，即使精确控制在150纳米，颗粒仍比典型阳极颗粒小12倍，且拥有巨大的表面积供SEI层形成——这会吞噬大量锂。理想的解决方案是使用远大于150纳米的颗粒，并以可控方式粉化。将减少表面积，同时避免大部分负面影响。通常通过向电池中掺杂额外锂来制造高负载硅阳极。锂掺杂正如其名：在制造过程中向电池添加额外锂。但掺杂锂并非基于第一性原理的解决方案，因为它无法解决SEI层吞噬锂的根本问题。  

2.构建硅稳定SEI膜的方案

为使电池阳极保持功能，必须为电子提供从阳极到设备的导出路径。充电时，硅膨胀300%，颗粒互相推离；放电时，颗粒收缩并因电子连接中断而彼此分离。这是因为固定阳极的弹性粘合剂过度拉伸后破裂，颗粒无法复位。有趣的是，研究人员曾尝试使用氨纶作为粘合剂解决此问题。  

前文以石墨阳极为例解释了SEI层的形成。石墨阳极在充放电时仅膨胀几个百分点，因此容易维持稳定的SEI层。但硅的SEI层无法稳定形成，因为硅膨胀会像撕纸巾一样破坏其表面。颗粒收缩后，会留下类似“卫星碎片”的SEI残骸环绕颗粒。  
在下一个充电周期，碎片与颗粒会再次与电解液反应，形成覆盖所有颗粒的厚SEI层——这消耗了电池中的大量锂，再次使添加硅失去意义。大多数解决膨胀的方案高度工程化且昂贵。市面上主要有三种示例，但文献中有数十种。当前主流方法（包括）是使用氧化硅（SiOx）掺入硅。这是目前最廉价的方法，但氧化硅的硅负载量上限为阳极重量的8%，超过此限后稳定性与循环寿命急剧下降。此外，硅被包裹在笨重的玻璃结构中可能导致能量密度损失30%。  
第二种是硅-石墨复合结构。多家厂商似乎在研发此类技术，但大多保密且未公开颗粒细节。唯一公开颗粒的公司展示了一种完美球形、高度多孔的石墨与冶金硅复合材料，可适应膨胀与收缩。  
第三种是硅纳米线。在看到电池技术时，首先要问成本如何？如果昂贵，接下来应问是否有工程路径将其成本降至“泥土价”？硅纳米线是通过化学气相沉积（CVD）逐原子构建的高度结构化材料，答案显然是否定的。
最后是的特斯拉硅解决方案。声称其方案成本显著低于其他选项。解释其解决方案是聚合物涂层硅材料，暗示其解决了粉化、分层和SEI层过厚的问题。但他们的解释似乎不完整。可能从原料硅开始，将其研磨成粉末后浸入含聚合物的溶液中。收购的SilLion使用了聚丙烯腈（碳纤维前体），但该材料不溶于水。他们可能选择水溶性聚合物（如聚多巴胺PDA）。经干燥和加热激活后，聚合物形成围绕硅颗粒的坚固基体。  
我们可称其为特斯拉“硅”。前文提到，解决150纳米颗粒限制的理想方案是使用更大颗粒但可控粉化。可能使用微米级硅颗粒，其膨胀粉化过程被聚合物涂层的“牢笼”限制。这种“自包含碎片”减少了碎片与电解液的接触，抑制SEI过度生长，“碎屑黏糊效应”。
20-30%的硅负载量可提供接近纯硅阳极的收益，但工程挑战更小—纯硅阳极与硅-石墨混合阳极是截然不同的存在。石墨可缓冲硅膨胀并降低电池整体应力。  SEI层控制聚合物涂层表面仍会形成SEI层。光滑涂层可能减少裂纹，但裂纹仍会与电解液反应消耗锂。