為了創(chuàng)造更加可持續(xù)的未來(lái),，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(wèn)世會(huì)使對(duì)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(yáng)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(chǎng)研發(fā)并商業(yè)化新技術(shù),，例如儲(chǔ)能,，太陽(yáng)能，固態(tài)照明,，可打印電子產(chǎn)品和3D顯示器,。
Kraft說(shuō)：“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(duì)各種全球的挑戰(zhàn)性領(lǐng)域,，例如半導(dǎo)體,，太陽(yáng)能電池板，LED和用于大功率和快速充電的下一代硅陽(yáng)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(gòu)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,。”
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?，暴露初期形成非晶硅，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(guò)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(lái)滿足特殊的市場(chǎng)應(yīng)用需求，并且CHS的定價(jià)與其純度有關(guān),。 Kraft說(shuō)：“ Coretec的環(huán)己硅烷非常適合那些對(duì)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,?！?img src="http://img.chinaaet.com/images/2021/05/08/6375609911792573089808071.jpg" title="3a1a1e2ae28e20b8e3b1e0766694672c.jpg" alt="3a1a1e2ae28e20b8e3b1e0766694672c.jpg" width="600" height="314"/>
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(wú)法與當(dāng)今的汽車相提并論,。加油站隨處可見(jiàn)，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(zhǎng)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(lái)克服鋰離子（Li-ion）電池中石墨陽(yáng)極的局限性。新型硅陽(yáng)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(lái)增加能量密度并解決電池膨脹問(wèn)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(guò)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(shuō)：“ 通過(guò)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(yáng)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(yáng)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(shì),，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(shì)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(yáng)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(zhǎng)的電池，而當(dāng)今的材料還不足以應(yīng)對(duì)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(zhǎng)期可靠性,。
SiC器件越來(lái)越多地用于對(duì)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(kāi)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(guò)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(chǎng)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(wèn)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(lái)都受到以下限制：無(wú)法在低缺陷密度的半導(dǎo)體晶圓上生長(zhǎng)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(jiàn)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(duì)于硅前體的需求,，采用的硅前體無(wú)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(jiǎn)單地進(jìn)行p型摻雜,。這種前體可以簡(jiǎn)化從運(yùn)輸?shù)酱鎯?chǔ)以及硅沉積的過(guò)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(yáng)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。