在相同重量下续航里程更长：硅电池通过实验室测试

电池研究领域出现了一项重大突破：采用富硅阳极的薄膜电池在测试中能够承受超过1,000次充放电循环，其容量仍保持在80%以上。我们将探讨其中起关键作用的参数，以及这一进展对电动汽车可能带来的影响。

图片来源：Fraunhofer ISE

在“StrOboBatt”项目中，弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（ISE）的研究人员成功使用自行制造的、具有富硅阳极的25安时软包电池完成了1,000次完整循环测试。测试结果显示，该电池的容量保留率超过了83%。这一成就标志着电池发展中的一个重要里程碑：能够完成1,000次完整循环且容量保留率至少在80%以上，被视为实现商业应用的最低标准。

硅：高能量密度，但存在极大膨胀问题

这种电池单元的独特之处在于其富含硅的负极，这使得它的能量密度高于传统的石墨负极。然而，由于锂离子的吸收，硅在充电过程中体积会膨胀多达300％（即扩大四倍），而在放电时又会收缩，因此尚未被广泛用作负极材料。这种剧烈的体积变化会导致电极内部电接触失效，并加速电解液的分解。结果就是该电池的性能下降过快，无法实际应用。相比之下，石墨的体积膨胀率仅约为10％到12％。

为降低这种极端膨胀带来的机械应力，弗劳恩霍夫ISE研究所的研究人员使用了碳硅复合材料，该材料占负极活性物质的51%。结合富镍正极后，这种软包电池便在工业规模的试验线上被制造出来。

压力与充电动态是关键因素

在实验室中，电池原型在充放电过程中还会承受1,000千帕（约10巴）的轴向压力。尽管材料会发生移动，电极接触仍保持稳定。然而在300千帕（约3巴）的较低压力下，其可用容量下降的速度明显更快。由此可见，外部机械压力是一个决定性因素。

在动态实际使用条件下的测试也表明，高功率运行时电池的可用容量下降速度比在温和的测试循环中更快。这一发现对未来电动汽车的应用具有重要意义，因为其电池管理系统必须考虑这一因素。

经测试的电池单元的重量能量密度为280瓦时/千克。不过弗劳恩霍夫ISE机构称，通过工业化优化的大规模生产，这一数值可提升至约330瓦时/千克。相比目前的NMC和NCA电池，能量密度为330瓦时/千克的电池其性能可提升约20%至35%，而其能量密度几乎是LFP电池的两倍。

用于提升续航里程的欧洲原材料

实际上，这意味着在电池重量不变的情况下，电动汽车的储能容量可从目前的约75千瓦时提升至近100千瓦时。这样一来，中型车辆的实际续航里程可从大约450公里增加到600公里以上。

除了提升续航里程外，这项技术还为工业领域带来了战略优势。由于目前石墨主要依赖欧洲以外的地区进口，而硅复合材料的使用增加使得原材料价值创造的部分环节能够转移到欧洲，因为硅可以在当地进行开采和合成生产。