从石英到下一代电池：深入研究金属硅

冶金 硅：低成高性能电池的关键
 

目前，几乎所有的锂离子电池在其负极中都使用石墨材料。自从20世纪90年代初石墨首次被引入锂离子电池以来，它一直是最实际的负极材料。作为电池单元中最大的单一材料之一，它对最终产品的整体性能和成本有重大影响。

为了提升电池性能并降低成本，技术专家们一直在探索替代的负极材料。由于硅的理论比容量是石墨的10倍，并且作为地壳中第二丰富的元素，硅成为了很有前途的候选材料。相比之下，石墨的生产受到地理限制，中国 alone就占全球产量的90%以上。这些因素使硅成为下一代电池的有吸引力的材料。然而，其在充放电循环中的历史挑战阻碍了其广泛应用。这些问题现在已经通过Coreshell的先进电池技术得到了解决，使得生产出最低成本、高性能的电池成为可能。

了解不同等级的元素硅
 

硅材料以各种形式和等级存在，每种都有独特的性质和应用。以元素形式存在的硅主要分为三个等级：

• 冶金级硅 (MG-Si)：具有98-99.9% (3N)的纯度，MG-Si是元素硅的基础形式。它主要用于铝、钢和铜的生产中的合金剂。此外，它还作为高纯度硅等级的前体。
• 太阳能级硅 (SoG-Si)：太阳能级硅的纯度约为99.9999%（6N），在太阳能应用中使用，特别是在制造太阳能电池中，高纯度对于效率至关重要。
• 电子级硅 (EG-Si)：这是最高纯度等级（99.9999999% 或 9N），用于半导体和集成电路生产，极高纯度确保了设备的最佳性能。

理解电池中硅的不同形式

除了基础的硅等级之外，用于电池阳极生产的特殊硅形式包括：

• 二氧化硅 (SiO)：纯度为99.99%，SiO在电池应用中更稳定，但需要额外的预锂化以解决较低的首次循环效率。
• 硅烷气体 (SiH4)：纯度达到99.9999%，硅烷通常用于化学气相沉积 (CVD) 以创建薄的硅涂层或纳米沉积物，通常沉积在碳基质上以形成复合硅。

虽然这些形式具有某些优势，但它们需要复杂且昂贵的生产方法，使它们比MG-Si更昂贵。

冶金级硅：生产与应用
 

冶金硅是如何生产的
 

MG-Si的生产以石英或二氧化硅砂（都是硅的两种形式）为原料开始。石英是地壳中第二丰富的矿物，因此被广泛开采。由于其高纯度和一致性，石英通常被优先考虑用于MG-Si的生产。

生产过程很简单：

1. 石英在碳炉中炼制。
2. 发生化学反应，生成硅和二氧化碳：
3. 硅在冷却后凝固成MG-Si。

由于石英丰富且工艺简单，MG-Si 既便宜又易于获得。

冶金硅的主要生产国

与石墨不同，全球90%以上的石墨供应由中国控制，而MG-Si在世界各地都有生产，包括美国、法国、挪威、巴西和俄罗斯。主要的硅金属生产商包括：

• 费罗格洛
• 道琼斯
• 埃勒康姆公司
• 安阳华佗冶金有限公司
• 好士林硅业有限公司
• 密西西比硅

这个广泛的生产基地减少了供应链风险，并允许进行本地化MG-Si生产——这是石墨和其他新兴电池材料所缺乏的优势。

电池生产中的MG-Si：与其他硅技术的比较

其他电池级硅，如SiO和硅烷衍生的硅，需要额外的处理：

• SiO：通过共蒸发MG-Si和SiO₂制成，具有稳定性，但需要预锂化以提高效率。
• 硅烷衍生的硅：通过氯化和高温还原制成，硅烷气体在CVD中用于生产纳米级的硅沉积。这种方法高度依赖能源且成本高昂。

这些过程使SiO和硅烷衍生的硅比MG-Si更昂贵，但在阳极中仅取代了一小部分石墨。

电池中MG-Si的潜在优势和挑战

优点：

• 更高的比容量：MG-Si 比石墨多储存10倍的锂。
• 更低的成本：比石墨和其它硅技术都更便宜。
• 可扩展性：每年大量生产，MG-Si可以在不需要显著新基础设施的情况下支持快速的行业扩展。

挑战：

• 体积膨胀：硅在锂离子循环过程中会膨胀和收缩，导致应力、开裂和性能退化。
• 固体电解质界面（SEI）不稳定：由于SEI形成不稳定，随着时间的推移容量损失。
• 有限的过去成功：历史上，这些挑战阻止了MG-Si取代阳极中的石墨。

电池用MG-Si取得突破

为了充分释放金属硅的潜力，Coreshell开发了一种革命性的溶液相沉积过程，该过程克服了这些历史挑战。这项技术允许在阳极中直接使用100%的MG-Si—无需额外的提纯步骤或昂贵的制造修改。

主要进展包括：

• 使用机械研磨、微米级和不均匀的硅颗粒：降低成本并提高可扩展性。
• 创新的电解质和粘结剂配方：确保与MG-Si的兼容性，同时稳定电池循环。

结果与行业影响

Coreshell 已经成功展示了：

• 首个商业规模的60 Ah电池单元，使用100%国产的MG-Si。
• 容量增加30%同时降低成本高达25%.
• 一个显著降低电池生产成本并增强供应链安全的突破。

通过利用国内生产的MG-Si，Coreshell创造了一种变革性的解决方案，通过使电池更便宜且更易获得，可以显著加速电气化。随着这些进展，下一代锂离子电池的广泛采用不仅是可能的，而且是不可避免的。

结论

冶金级硅为重塑锂离子电池行业提供了无与伦比的机会。凭借其丰富性、低成本和高能量容量，MG-Si 可以取代石墨成为主要的负极材料——前提是解决其历史挑战。得益于 Coreshell 的突破性技术，MG-Si 现在成为高性能、低成本电池的可行且可扩展的解决方案。随着这一创新的普及，它有可能加速电气化，并使可持续能源储存比以往任何时候都更实惠。