含硅电池的循环次数可超过1000次，从而提升电池的续航能力。

要让电动汽车行驶更远的距离，并不一定非得安装更大更重的电池。避免这种情况的途径之一就是提高能量密度。在这方面，硅早已引起人们的兴趣，但它也存在一个难以解决的问题：在经过多次充放电后仍能保持其性能。

德国弗劳恩霍夫ISE研究所通过StrOboBatt项目在这方面取得了进展。他们的研究人员开发出了具有25安时容量的袋式电池，其阳极富含硅元素，这些电池在完成1,000次完整循环后仍能保持初始容量的83%以上。对于这项其能量潜力一直受性能衰退限制的技术而言，这一成果意义重大。

一个完整循环并不等同于给汽车充电一次。它指的是充入和释放相当于电池全部容量的电能，而这些电量可以通过多次部分充电来积累。因此，这种测试有助于研究电池的使用耐久性，但仅凭它无法确定安装在汽车上的电池能使用多少年或行驶多少公里。

硅材料可储存更多能量，但需控制其膨胀

硅的吸引力在于其储存锂的能力远高于通常用于阳极的石墨。但问题出现在充电过程中：其体积可能会膨胀300%，而在放电时又会收缩。这种反复变化会给电极带来巨大压力，可能损害其内部连接，并加速老化反应。

为解决这些问题，研究人员使用了由硅和碳与石墨结合而成的复合材料。这种复合材料占阳极活性材料的51%，这一比例很重要——它并不意味着阳极有一半是纯硅。该复合材料与富含镍的NMC阴极结合使用。

这项研究的关键因素之一就是施加在电池单元上的压力。当外部压力约为10巴时，电池的长期性能优于3巴的压力条件。保持各材料之间的接触有助于限制其体积变化带来的影响，因此用于固定电池单元的结构也属于需要解决的技术难题之一。

这对制造商来说有着实际意义。仅仅开发出能够储存大量能量的材料是不够的，还必须将其集成到能够在运行过程中维持适当条件的电池中。固定装置、冷却系统以及保护结构也会占用空间并增加重量，因此必须在整个电池组中验证单个电池单元所带来的优势。

测试还发现，在轻度放电情况下测得的电池容量与在高负荷条件下所能释放的容量之间存在越来越大的差异。对于电动汽车而言，这一差异尤为重要，因为其能量需求会不断变化。实验室测试中保持的容量并不保证在更高负荷下仍能以相同方式被利用。

测得的能量密度为280瓦时/千克，而该研究所估计，经过优化的工业版本能量密度可达到约330瓦时/千克。第二个数值只是预测值，并非这些电池已验证的实际结果。两者之间的提升幅度接近18%，但这并不必然意味着汽车的续航里程也会增加18%。

为了解释其潜力，我们可以用一个简单的例子。如果未来的电池组能在保持相同重量的前提下将能量容量从75千瓦时提升到100千瓦时，且汽车的能耗不变，那么其续航里程大约会增加33%。原本450公里的行驶距离将变为约600公里。这只是对预期优势的数学演示，并非弗劳恩霍夫研究所测得的实际续航数据，也不是该测试所能保证的改进幅度。

还有另一种同样有趣的可能性：保持相同的续航能力的同时减轻电池重量。对于那些已经拥有足够续航里程的消费者而言，这一选择可能比一味追求更高的理论续航更有实用价值。最终的选择将取决于制造这些电池单元的成本，以及它们安装到汽车上后的实际表现。

此外，该项目还带来了欧洲工业层面的意义。用硅基复合材料替代部分石墨，有助于实现材料供应的多样化，并将相关生产活动转移到欧洲。这虽然不能消除对高质量且具有竞争力价格的材料加工需求，但为减少对外部供应的依赖开辟了途径。

要在生产模型中找到这一解决方案，还有许多工作要做。必须证明它在不同温度下以及经过多年使用后仍能保持其优势。接下来的步骤是确保这些优异性能能够在实验室之外依然存在，同时避免控制电池重量和成本所带来的负面影响抵消了这些改进。

来源 | ise.fraunhofer