電極材料新創開發新技術 緩解出口管制供應鏈瓶頸
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芮嘉瑋╱財團法人中技社 科技暨工程研究中心副主任
2023年12月中國限制石墨出口，撼動全球電動車及其電池市場，以石墨爲主的鋰電池負極材料供應鏈堪慮。面對國際關鍵礦物資源出口管制，除了儘可能地創造多元化供應來源以及強化國際合作和資源共享之外，鼓勵技術創新開發替代關鍵礦物的新材料和新技術，也是減少對特定國家依賴度的不二之選。
電極材料新創Sila Nanotechnologies
席拉奈米科技公司（Sila Nanotechnologies）是一家位於美國加州的企業，專注於開發和製造先進的鋰電池技術。該公司的目標是通過利用奈米技術和材料科學來改進鋰電池的性能，使其更安全、更持久、更高效。Sila Nanotechnologies的創始人之一兼CEO是Gene Berdichevsky，他曾是特斯拉公司的首席工程師之一，具有豐富的電動車和鋰電池行業經驗。該公司的技術被廣泛認爲有望推動電動汽車和可再生能源存儲等領域的發展，因爲它可以提高電池的能量密度、降低成本並延長壽命。Sila Nanotechnologies已經吸引了衆多投資者的關注，並與許多主要汽車製造商和電池製造商合作，共同推進鋰電池技術的發展。
Sila Nanotechnologies的創新與技術突破
Sila Nanotechnologies已經取得了多項創新與技術突破，主要集中在鋰電池技術的改進上。Sila Nanotechnologies開發了一系列高能量密度的鋰電池負極材料，專注於利用矽基材料作爲鋰電池負極的主要成分，因爲矽具有更高的能量密度，透過奈米結構設計控制矽材料的微觀結構和形貌，改進矽基材料的結構和穩定性，這包括製備奈米級粒子、薄膜或多孔材料，以增加材料的表面積，提高鋰離子的擴散速率，從而克服矽在充放電過程中的膨脹和收縮問題，改善電池的充放電性能。這些材料除了可以實現鋰電池的快速充放電，縮短充電時間，提高電池的使用效率之外，還可以存儲更多的電能，提高電池的續航里程和性能，從而延長電池的壽命。總的來說，Sila Nanotechnologies的創新主要集中在開發高能量密度、穩定性更好、快速充放電的矽基鋰電池材料上，這些技術突破有望推動電動汽車和可再生能源存儲等領域的發展，這對於電動汽車和其他應用來說至關重要。
奈米複合矽（Nano-Composite Silicon）
Sila Nanotechnologies 專注於利用矽基材料作爲鋰電池陽極的主要成分，這是一項非常重要的技術突破，因爲矽具有更高的能量密度，相比傳統的碳基負極材料，矽可以存儲更多的鋰離子，從而提高了鋰電池的能量密度。然而，矽在充放電過程中會發生體積膨脹和收縮的問題，這可能導致電池材料的損壞和性能下降。因此，Sila Nanotechnologies致力於克服這些問題，並實現矽基材料在鋰電池中的商業應用。
Sila Nanotechnologies 在利用矽基材料作爲鋰電池負極主要成分的技術上，採用了奈米複合矽（Nano-Composite Silicon，NCS）技術。爲了對汽車電氣化產生有意義的影響，需要能夠提供卓越性能改進和延長使用壽命的材料，奈米複合矽 （NCS） 材料的開發，在顆粒級別上系由更小的高容量矽顆粒在多孔支撐基質中製成以滿足此關鍵的需求。然而，這些孔並沒有完全填滿，留下的空隙使矽顆粒在電池充電和放電時能夠膨脹和收縮，而不會損壞支撐基質（圖1）。NCS 將矽的更高能量密度與電動汽車所需的安全性和穩定性相結合，而且通常與現有的超級工廠直接相容。這些工廠可以將石墨轉換成NCS材料，而且無需任何額外投資，就可以開始生產更小、更輕、充電速度更快的電池。儘管NCS材料易於使用，但它們並不簡單，也並非都是一樣的。矽的數量和形態，複合材料中其他物質的物理、化學和機械特性，以及將它們組合在一起的工藝，都對奈米複合顆粒的成本、可擴展性和性能以及最終這些用於電動汽車的新一代負極材料的性能有着重大影響。
圖1. 奈米複合矽顆粒；圖片來源：Sila Nanotechnologies[1]
具核殼型複合材料的電池電極組合物
爲解決鋰電池充放電時的膨脹和收縮問題，Sila Nanotechnologies開發電極材料新技術並申請專利。美國專利號US20130344391A1發明一種具有膨脹性能的電池活性材料的多殼結構及其製備方法，特別是主張一種包含核殼型複合材料的電池電極組合物，是Sila Nanotechnologies所有申請的專利中被引用次數最多的案件（截至2024/05/05共被引用117次）。如圖2，該專利主要是提供多個複合結構100作爲電池的陽極，此複合結構100中含有一個可收縮的核（collapsible core）104，該核104被一活性材料102所環繞，而活性材料102又被殼層106所包圍，此殼層106 可讓金屬離子（例如：鋰離子）滲透。由於核104是可收縮的，故活性材料102（例如：矽）因吸收金屬離子所導致的體積膨脹能夠被可收縮的核104所吸收。其中所述活性材料爲包括包括銅、鐵或鋰等金屬氟化物或金屬氧化氟化物的活性正極材料。
圖2. 核殼型複合材料包含各種電池電極組合物示意圖；圖片來源：美國專利號US20130344391A1
另一篇美國專利號US8932764B2也發明了一種包含核殼型複合材料的電池電極組合物，是Sila Nanotechnologies所有申請的專利中被引用次數次多的案件（截至2024/05/05共被引用98次）。如圖3所示，該專利主要特色是提供多個複合結構102作爲電池的負極，此複合結構102包含一核104和一殼層106，核104系由多孔硫奈米粒子組成，具有一網絡孔隙202。這種「多孔」設計使核104能夠調節金屬離子（例如，鋰離子）的遷入/遷出，以在電池的放電或充電期間以相應的金屬硫化物的形式存儲金屬離子，並在電池的充電或放電期間從相應的金屬硫化物遷出金屬離子。同時保持整體粒子大小不變，並使殼層106保持完整，在電池運作期間保持粒子大小有助於最小化硫基負極的退化問題。
圖3. 包含核殼型複合材料的電池電極組合物；圖片來源：美國專利號US8932764B2
擴增合作伙伴 推動儲能市場發展
電池作爲電動車最關鍵的零組件，一直是各大汽車製造廠商的兵家必爭之地。特斯拉、福特、通用汽車、賓士（Mercedes-Benz）、BMW、奧迪等電動汽車製造商，以及諸如Panasonic、LG化學、CATL（寧德時代）、Samsung SDI等全球領先的電池製造商，都已與Sila Nanotechnologies合作，利用Sila的先進技術來改進產品性能和成本效益，共同推進鋰電池技術的發展，尋求提高電池性能以增加電動汽車的續航里程、充電速度和耐久性。Panasonic旗下電池業務子公司Panasonic Energy日前也宣佈，已與美國電池材料新創Sila Nanotechnologies簽訂採購合約，將從Sila購買一種名爲Titan SiliconTM的下一代矽材料，比一般的石墨負極材料，能讓電池的容量更大，電池的能量密度更高，且在充電時更不容易膨脹。此Titan SiliconTM系以矽奈米複合材料作爲鋰離子電池的陽極，其實就是前揭的奈米複合矽（Nano-Composite Silicon，NCS）材料技術，該技術使得Sila Nanotechnologies能夠開發出性能更好、穩定性更高的矽基鋰電池材料，從而推動鋰電池技術的發展，應用於電動汽車、便攜式電子設備等領域。這些合作伙伴關係有助於將Sila Nanotechnologies的技術應用於實際的產品中，從而推動電動汽車和可再生能源存儲等儲能市場的發展。
創新替代材料 緩解供應鏈瓶頸
除了Sila Nanotechnologies之外，美國另一家新創公司Group14 Technologies近日也宣佈推出以矽基材料取代傳統石墨製造的新式電動車電池，Group14 Technologies是採用一種矽碳複合負極材料取代電池中常見的石墨基負極，可以將能量密度提高多達 50%以增強電池性能，與透過使用越來越大以及越來越重的電池來解決電動車的里程焦慮問題相比，這是一個巨大的進步。這使得電池可以多儲存50%的能量，並且充電時間僅需10分鐘[2]。任何供應鋰離子電池的公司都可以使用該技術及Group14 所生產電動車電池材料，包括消費性電子產品。該公司正在與全球100多家客戶合作，據稱這些客戶佔全球鋰離子電池產量的 95%。它已從保時捷公司和微軟氣候創新基金等客戶和投資者籌集了超過6.5 億美元。2023 年，Group14 透過收購歐洲關鍵前驅材料生產商 Schmid Silicon 來增強其製造能力。它還開始在華盛頓州摩西湖建設一家工廠，該工廠將爲20萬輛電動車的電池提供足夠的材料，並得到能源部價值1億美元的合約的支持。據悉Group14 Technologies正與南韓SK集團建立一家合資工廠將於2024年開張投入商業化生產。這些國際合作與市場上的競合關係，告訴我們一件事：「這種採用地殼中僅次於氧的第二豐富元素『矽』取代一種預計在未來幾年會嚴重短缺的材料『石墨』，可以緩解供應鏈瓶頸並降低成本」。
備註：
1. Designing A Better Battery for Next Generation EVs: A Market Overview of Anode Materials. 2023 Sila Nanotechnologies.
2. Meet the Washington firm at the center of the EV battery revolution, 2024 Apr 2.
https://www.axios.com/local/seattle/2024/04/02/group14-ev-battery-lithium-tech-washington
中原大學 財經法律研究所 碩士
國立臺灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士
工研院電子與光電研究所專利副主委
光電產業智權經理
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