為了創(chuàng)造更加可持續(xù)的未來，汽車制造商們正努力引進(jìn)新型的電動(dòng)汽車（EV）。這些電動(dòng)汽車的問世會(huì)使對于能源的需求發(fā)生重大改變，我們需要更強(qiáng)大的快速充電網(wǎng)絡(luò)，而硅（Si）陽極電池有可能是實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。Coretec集團(tuán)（The Coretec Group）的首席執(zhí)行官（CEO）Michael Kraft接受了《Power Electronics News》的采訪，我們重點(diǎn)討論了這些新方案的特性，并分析了有哪些材料可以促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展。 Coretec集團(tuán)致力于為多個(gè)有前景的市場研發(fā)并商業(yè)化新技術(shù)，例如儲(chǔ)能，太陽能，固態(tài)照明，可打印電子產(chǎn)品和3D顯示器。
Kraft說：“我們的研究重心是各種應(yīng)用于下一代技術(shù)的先進(jìn)材料，以應(yīng)對各種全球的挑戰(zhàn)性領(lǐng)域，例如半導(dǎo)體，太陽能電池板，LED和用于大功率和快速充電的下一代硅陽極電池。我們一直在尋找用于實(shí)現(xiàn)這些下一代技術(shù)的材料，以及可以與之合作或可以收購的企業(yè)。目前，我們的投資重點(diǎn)是環(huán)己硅烷（CHS）的商業(yè)化?！?/p>
Kraft指出，Coretec 集團(tuán)的產(chǎn)品系列主打硅產(chǎn)物的生產(chǎn)，首先是環(huán)六硅烷（Si6H12），這是一種液體，當(dāng)暴露于熱或紫外線時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧児瑁┞冻跗谛纬煞蔷Ч?，然后隨著暴露量的增加，轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶硅。
CHS是一種純物質(zhì)，是能量存儲(chǔ)先進(jìn)應(yīng)用中的關(guān)鍵。通過與Evonik的合作，Coretec集團(tuán)為客戶提供了CHS樣品進(jìn)行評(píng)估；Evonik可以提供大量生產(chǎn)所需的材料。 CHS的純度可以被改變，來滿足特殊的市場應(yīng)用需求，并且CHS的定價(jià)與其純度有關(guān)。 Kraft說：“ Coretec的環(huán)己硅烷非常適合那些對硅和/或摻雜硅（C，Ge，B，Co和P）的純度、安全性、快速沉積速率和低溫沉積有著高要求的應(yīng)用。”
圖1: 環(huán)己硅烷的轉(zhuǎn)化
環(huán)己硅烷（CHS）在電動(dòng)汽車中的重大用途
電動(dòng)汽車（EV）是替代普通汽油車輛的一種更環(huán)保的選擇，但電動(dòng)汽車還缺一項(xiàng)關(guān)鍵的功能：便捷性。電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)設(shè)施和電池容量都無法與當(dāng)今的汽車相提并論。加油站隨處可見，但電動(dòng)汽車的充電站卻尚未普及，這意味著駕駛員須在出行前制定詳細(xì)的充電計(jì)劃。電動(dòng)汽車需要搭載快速充電功能和支持長距離駕駛的電池，這些高效的基礎(chǔ)設(shè)施將有助于電動(dòng)汽車的成功。
許多制造商正在尋找新的解決方案（材料），用來克服鋰離子（Li-ion）電池中石墨陽極的局限性。新型硅陽極電池技術(shù)可以為電池快速充電，有望在5至10分鐘內(nèi)充至其容量的80％以上，還不會(huì)損壞電池外形，同時(shí)還能將能量密度提升2至3倍。
即將面世的2.0代鋰離子電池將采用新材料，用來增加能量密度并解決電池膨脹問題。Kraft指出，有很多企業(yè)正在與材料工程師合作，將納米技術(shù)加入到制造過程中，例如加入諸如CHS之類的Si前體。
Kraft講解到，CHS能提供比傳統(tǒng)前體更快的器件制造速度，更重要的是，它還可以生成非晶納米結(jié)構(gòu)，這意味著電池可以實(shí)現(xiàn)快速充電，同時(shí)避免膨脹。這種材料還可以使電池能夠承受許多次的充電和放電循環(huán)，這也是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要考量。
Kraft說：“ 通過用硅碳納米結(jié)構(gòu)和合金代替鋰離子電池中常用的石墨陽極，Coretec環(huán)六硅烷也許能夠提高能量密度。這些材料存儲(chǔ)了更多的鋰離子，在降低電池?fù)p耗的同時(shí)提高了能量密度?！?/p>
CHS是一種液態(tài)硅前體，應(yīng)用在鋰離子電池的陽極。它的液態(tài)特性為加工低成本碳硅納米結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)勢，使其能夠直接替代高能鋰離子中的石墨。這種電池的一個(gè)主要優(yōu)勢是擁有更高的充電/放電壽命周期和更高的能量密度。
Kraft指出，特斯拉表示他們正朝著硅陽極方案邁進(jìn)，這代表了電動(dòng)汽車電池的一個(gè)重要里程碑。消費(fèi)者需要一種能夠更快充電，行駛得更遠(yuǎn)，使用壽命更長的電池，而當(dāng)今的材料還不足以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。
SiC制造的新功能
電力電子學(xué)在寬禁帶材料需求方面正以驚人的速度發(fā)展。滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的碳化硅（SiC）可以有效地增強(qiáng)電動(dòng)汽車的動(dòng)力，并有助于提升電動(dòng)汽車的系統(tǒng)性能和長期可靠性。
SiC器件越來越多地用于對尺寸、重量和效率有著嚴(yán)格要求的高壓功率轉(zhuǎn)換器中，與常用的Si器件相比，SiC器件具有許多更有吸引力的特性。SiC器件的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗要低得多，并且SiC的導(dǎo)熱系數(shù)要比Si高3倍左右，因此可以更快地散熱。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)楫?dāng)硅基器件的面積變小時(shí)，電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱量變得更加難以散出，而SiC的散熱效果更好。
SiC晶片與傳統(tǒng)的Si晶片相比復(fù)雜得多，并且由于市場需求量大，在SiC大規(guī)模商業(yè)化并完全替代傳統(tǒng)形式的Si之前，還有許多障礙問題需要克服。CHS這種硅前體可以在這一點(diǎn)上提供幫助。
高性能的SiC器件一直以來都受到以下限制：無法在低缺陷密度的半導(dǎo)體晶圓上生長SiC膜，以及如果采用將SiC層粘附到基底上會(huì)遇到的其他困難：常見的例子有α-SiC（例如，4H-SiC，6H- SiC）和β-SiC（3C-SiC）。
β-SiC作為電力電子器件的替代材料，它的廣泛采用還存在一些挑戰(zhàn)。其中特別需要注意的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是對于硅前體的需求，采用的硅前體無論從經(jīng)濟(jì)角度還是化學(xué)角度上，都要能夠幫助SiC器件研發(fā)出先進(jìn)的薄膜和結(jié)構(gòu)。
在常規(guī)條件下，CHS可以在多種基底上形成β-SiC薄膜。另外，CHS可以幫助β-SiC膜簡單地進(jìn)行p型摻雜。這種前體可以簡化從運(yùn)輸?shù)酱鎯?chǔ)以及硅沉積的過程，從而有助于電力電子技術(shù)的發(fā)展。Kraft指出，CHS有望以一種高性價(jià)比的方式克服SiC半導(dǎo)體生產(chǎn)中的傳統(tǒng)限制。
電動(dòng)汽車的自主性直接反映了其動(dòng)力系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)的效率。除了必要的基礎(chǔ)設(shè)施（例如隨處可用的快速充電系統(tǒng)）之外，電動(dòng)汽車還必須搭載優(yōu)化了的SiC電力電子設(shè)備，以及具有更高能量密度和更短充電時(shí)間的Si基陽極電池。電動(dòng)汽車進(jìn)行了這些改進(jìn)后，不僅會(huì)被大規(guī)模地采用，取代當(dāng)今的汽油車輛，并且還將創(chuàng)造出世界所需的可持續(xù)電動(dòng)汽車。