才成立4年的Group14硅碳復(fù)合材料公司為何如此受關(guān)注？
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時間：2021-02-19
【概要描述】成立4年已獲得超過4200萬美元的投資，并有眾多國際巨頭公司加持，其技術(shù)有什么優(yōu)異性？
在美國眾多研發(fā)硅負極材料的公司里，有一個很年輕的小公司叫Group14科技公司，于2016年在西雅圖成立。這家公司雖然很年輕，但已引起很多關(guān)注，是因為它在成立前后都與一些知名公司息息相關(guān)。
Group14是從一家名為EnerG2的公司里獨立出來的。EnerG2是一家研發(fā)生產(chǎn)碳材料的公司，成立于2003年。在成立后的十多年里一共吸引了3000萬美元的融資，從2014年開始與德國巨頭巴斯夫公司合作。最終，巴斯夫在2016年收購了EnerG2，希望借助它在碳材料方面的成熟技術(shù)進入鋰電池負極材料的商業(yè)領(lǐng)域。
就在EnerG2被巴斯夫收購的同年，EnerG2的幾個領(lǐng)頭人拿到了一筆美國能源部280萬美元的經(jīng)費，用于資助硅碳復(fù)合材料的研究。于是他們決定用這筆錢單獨成立一個公司來繼續(xù)創(chuàng)業(yè)，并沒有把這一塊業(yè)務(wù)包括在與巴斯夫的收購交易中。這就是Group14成立的原因。巴斯夫當(dāng)然也不會放過這個潛在的機會，所以繼續(xù)押寶投資Group14以支持新材料的研發(fā)。
2019年，Group14公司進行了A輪融資，籌得1800萬美元，投資者包括寧德時代，日本昭和電工，Cabot，巴斯夫公司。開局就很受寵，說明大家都相信巴斯夫的眼光。
2020年9月，Group14攜手幾家合作伙伴又拿下了一筆美國能源部400萬美元的研發(fā)經(jīng)費，用于資助新型電池負極材料項目。合作伙伴里有Cabot（碳材料公司）、孚能科技（電池公司）、Silatronix（電極材料公司）、Arkema（法國材料公司巨頭）、以及美國西北太平洋國家實驗室。西太實驗室有多年的硅負極材料研究經(jīng)驗，發(fā)表了很多頂級期刊論文，在美國是一個非常有力的硅負極材料研發(fā)引擎。
緊接著在2020年12月，Group14宣布獲得B輪融資1700萬美元，領(lǐng)投者為韓國巨頭SK公司，讓Group14再添一道光環(huán)。這意味著，短短的兩年間Group14獲得了超過3900萬美元的資金，可謂飛速發(fā)展。Group14稱將利用這一輪融資提高產(chǎn)能加速生產(chǎn)旗艦產(chǎn)品SCC55?硅碳復(fù)合負極材料，以滿足急速增長的動力電池市場需求。這款旗艦產(chǎn)品，相比于傳統(tǒng)的石墨負極將儲能密度提高了50%。公司預(yù)計在2021年初，將開始向合作伙伴供貨。
根據(jù)Group14的網(wǎng)站及以往的新聞報道來看，Group14生產(chǎn)硅碳復(fù)合材料的方式是先用高分子材料制造出像海綿一樣具有多孔結(jié)構(gòu)的碳顆粒，然后向碳顆粒的孔隙里加入硅納米顆粒形成復(fù)合材料。為了更清楚地了解Group14的技術(shù)，我們深入研究了Group14及其前身EnerG2公司申請的技術(shù)專利，來一探究竟。
EnerG2公司在2016年前申請的幾項專利，描述了如何制備硅碳復(fù)合材料。其中一種方法如下圖所示，先將納米硅材料（球形、線形或管形）分散在有機溶劑里，加入聚甲基丙酸甲酯（PMMA，俗稱有機玻璃）的單體讓它們形成聚合物覆蓋在納米硅材料表面。再加入另一套反應(yīng)物，在顆粒外面再包裹一層間苯二酚甲醛聚合物（RF）。將顆粒洗凈加熱到600度以上，內(nèi)層的有機玻璃完全分解留下一層空隙，外層的RF化成碳顆粒形成保護層，這也是俗稱的蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu)。
另一種制備硅碳復(fù)合顆粒的方法，將硅鋁合金顆粒里的鋁金屬用酸溶掉，剩下來的硅多孔顆粒分散進高分子預(yù)聚體溶液里，讓預(yù)聚體浸入到孔隙中。然后加熱讓預(yù)聚體反應(yīng)變成高分子材料，再高溫碳化高分子將其轉(zhuǎn)變?yōu)樘疾牧希@樣碳材料就充斥在硅顆粒的孔隙中以及外表層，將硅材料保護起來。下圖就是一顆多孔硅顆粒的電子掃描電鏡照片。
Group14公司從2016年前后開始申請專利，其中一個專利描述了幾種從硅鋁合金制備具有納米微孔的硅顆粒的方法。第一種方法是將硅鋁合金顆粒分散在酸溶液里，利用酸液溶解掉顆粒里的鋁金屬，剩下的硅材料就成為具有納米微孔的顆粒（如下圖所示），還可以根據(jù)應(yīng)用需要將其進一步打碎成尺寸更小的顆粒。第二種方法是將硅鋁合金顆粒放在密閉容器里加熱到幾百度的高溫，然后通入腐蝕性氣體比如氯氣、氯化氫、氟氣等，氣體與鋁金屬反應(yīng)生成金屬鹽，隨后可以通過水溶解的方法將金屬鹽移除，剩下的硅材料變成帶有納米孔徑的顆粒。
Group14公司也申請了幾個關(guān)于如何制備硅碳復(fù)合材料的專利。最早的一種方法是向多孔碳顆粒的孔隙里通入硅烷氣體，通過加熱使氣體沉淀成硅納米顆粒分散在多孔碳的孔隙里。多孔碳顆粒的尺寸一般在1到10微米，孔隙里沉淀的硅顆粒尺寸一般在100nm以下。下面的電鏡照片顯示的就是納米硅顆粒分散在碳顆?？紫秲?nèi)的樣子。
然而上述制備硅碳復(fù)合材料的成本太高，并不適用于大規(guī)模生產(chǎn)，所以Group14接下來公布了一種新的制備方法。選擇特定的高分子預(yù)聚物，將其聚合成高分子材料，在高溫下碳化高分子材料得到有多孔結(jié)構(gòu)的碳顆粒。向碳顆粒里注入含硅元素的化合物，加熱將含硅化合物分解成納米硅顆粒填充在孔隙里。接下來還可以再增加一層碳包覆，可以向碳顆粒的孔隙里灌入高分子預(yù)聚物，加熱分解形成碳層覆蓋在納米硅顆粒上；也可以將整顆碳顆粒包裹在高分子材料內(nèi)，然后加熱分解形成碳層覆蓋在整顆碳顆粒外面。通過這個方法獲得的產(chǎn)品與Group14官網(wǎng)的描述比較相似，如下圖所示——中間黑白相間的大球代表硅納米顆粒與孔隙，周圍圍繞的小黑點代表碳原子。因此，我們猜測這就是Group14公司將要投入到大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)。
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參考文獻：
1. Group14公司官網(wǎng)https://www.amprius.com/
2. Compositesof porous nano-featured silicon materials and carbon materials，美國專利申請?zhí)?0190097222。
3. Nano-featuredporous silicon materials, 美國專利號10763501。
4. Compositecarbon materials comprising lithium alloying electrochemical modifiers，美國專利號10714744。
5. Decompositionof silicon-containing precursors on porous scaffold materials，美國專利申請?zhí)?0200020935。
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作者簡介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國德克薩斯大學(xué)（奧斯?。┗瘜W(xué)工程博士。主要從事儲能電池開發(fā)工作，先后在跨國企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項美國能源部資助研發(fā)項目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎。在材料學(xué)及儲能領(lǐng)域頂級期刊發(fā)表論文17篇，擔(dān)任5家國際期刊審稿工作，擁有國際發(fā)明專利申請17項。
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深圳市中和儲能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應(yīng)用儲能技術(shù)，旨在通過電化學(xué)儲能技術(shù)的應(yīng)用助力于實現(xiàn)中國“碳中和”的目標(biāo)。發(fā)展初期，公司專注利用在儲能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗及杰出的研發(fā)能力向中國儲能市場提供技術(shù)支持與咨詢服務(wù)。同時，公司著重于對中國儲能市場進行調(diào)查與分析，為中國市場研發(fā)或引入最先進、最有效的儲能技術(shù)。
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