Enovix剛剛上市：像做芯片一樣用光刻技術(shù)做全硅負(fù)極電池
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時(shí)間：2021-02-26
【概要描述】2月22日宣布上市以來，股價(jià)起伏劇烈，值不值得投資且看對(duì)其電池技術(shù)的分解。
Enovix這家做全硅負(fù)極鋰電池的公司這幾天突然引起人們的注意，因?yàn)樗?月22日宣布與一家殼公司達(dá)成協(xié)議將借殼上市，暨美股里所謂的SPAC IPO（Special Purpose Acquisition Company）。這家殼公司名叫RodgersSilicon Valley Acquisition Corp. 其美股代號(hào)是RSVA，手里持有的2.3億美元資金將通過此次合并兌換成Enovix的股份。合并進(jìn)程預(yù)計(jì)將在2021年的第二個(gè)季度完成，屆時(shí)Enovix總共將獲得4.05億美元融資作為后續(xù)階段的發(fā)展，而公司估值將達(dá)到11億美元。
在2月22日宣布借殼上市的當(dāng)天，RSVA的股價(jià)從前一天的收盤價(jià)15.75美元急速拉升，最高點(diǎn)漲到了28.5美元，幾乎翻倍。RSVA公司的市值在最高點(diǎn)達(dá)到了8.2億美元，是其手里持有2.3億美元資產(chǎn)的3.5倍，意味著有投資者相信這2.3億美元兌換來的Enovix股份將價(jià)值8.2億美元。然而當(dāng)情緒冷卻下來后，RSVA公司的股價(jià)開始連續(xù)下滑。截止到2月25日收盤，股價(jià)已跌至16.56美元，總市值也收縮到4.76億美元。為什么Enovix的IPO沒有去年末QuantumScape（上市后市值增長了10倍）那么火爆？我們可以嘗試從其技術(shù)方面來一探究竟。
Enovix公司于2007年成立，創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)來自IBM做硬盤讀寫探頭的部門，他們將制造讀寫探頭的技術(shù)移植到電池生產(chǎn)上，使用光刻技術(shù)來精耕細(xì)作電池設(shè)計(jì)。這個(gè)技術(shù)路線與其他做硅負(fù)極材料的公司很不一樣，別的公司主要在硅顆粒上面做文章，而Enovix則注重在工程設(shè)計(jì)與制造工藝上面。Enovix認(rèn)為目前的電池封裝工藝中空間利用率太低，實(shí)際的儲(chǔ)能材料只占總體積的60%不到，而他們采用的電池設(shè)計(jì)可以讓儲(chǔ)能材料占到電池總體積的75%以上，在相同大小的電池里能放置更多的儲(chǔ)能材料，則相當(dāng)于提升了電池的儲(chǔ)能密度。
下圖是傳統(tǒng)鋰電池的剖面圖，其封裝過程是將單層電池做成長條形，其中包含了正負(fù)導(dǎo)電金屬箔、正負(fù)電極、隔膜各一層疊在一起，然后像卷手紙一樣繞著中間的軸卷起來，最后用金屬或其他材料的外殼包裝起來。這種設(shè)計(jì)使用的金屬箔片比較厚，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中需要承受一定的沖擊力不能破裂。此外，隔膜一般要比正負(fù)極材料和金屬箔寬一些，以避免正負(fù)極材料意外接觸短路。以上這些設(shè)計(jì)上的考量，都會(huì)增加非儲(chǔ)能空間。
Enovix則借用了芯片和太陽能板的生產(chǎn)工藝，用一塊1毫米厚的硅片來做電池。下圖是一塊硅片的俯視圖，Enovix用光刻的方式在硅片上蝕刻出長條紋的凹槽，然后在凹槽里分別電鍍上正負(fù)極的導(dǎo)電層，再分別填入正極材料和隔膜，從而得到從左至右依次重復(fù)的電池結(jié)構(gòu)。這個(gè)電池結(jié)構(gòu)將空間利用得非常充分，所以能將儲(chǔ)能物質(zhì)的空間占比提升到75%以上。
我們?cè)儆孟旅娴氖疽鈭D來探索一下詳細(xì)的電池制作工藝。首先將硅片蝕刻到只剩下圖中的黑色部分——厚的豎條紋和薄的豎條紋。在薄的豎條紋上用電鍍包裹上一層正極導(dǎo)電箔（圖中藍(lán)色部分），這個(gè)導(dǎo)電箔的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鋰電池的金屬箔（1微米vs.10微米）。而厚的豎條紋則是全硅負(fù)極，在硅負(fù)極上用電鍍包裹上一層負(fù)極導(dǎo)電箔（圖中紫紅色部分）。接著在厚的豎條紋兩側(cè)涂抹上陶瓷顆粒，通過高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷隔膜（圖中黃色部分）。最后在厚的和薄的豎條紋之間填充滿正極材料，電池的結(jié)構(gòu)就大功告成。
雖然這樣的電池片厚度只有一毫米，但是Enovix將他們層疊起來可以達(dá)到需要的電池厚度。不同層之間的電池再以特殊的連接工藝將所有的正極導(dǎo)電箔連到電池正極上，將所有的負(fù)極導(dǎo)電箔連到電池的負(fù)極上。而電池片的生產(chǎn)工藝可以采用如下圖所示的流水線式生產(chǎn)方式，從而可以做到規(guī)?；慨a(chǎn)。
我們?cè)僦v講它的全硅負(fù)極。在上述的制造工藝?yán)?，我們提到光刻之后剩下的黑色厚條紋就是全硅負(fù)極。而Evonix在很多地方都提到，他們的全硅負(fù)極設(shè)計(jì)了電極內(nèi)部的空隙，以滿足硅材料吸收鋰離子后的體積膨脹，而不會(huì)向電極外部擴(kuò)張擠破電池。Evonix并沒有介紹過他們?nèi)绾卧谌柝?fù)極里制造空隙，而我們通過查詢?cè)摴旧暾?qǐng)的專利，注意到以下的一些設(shè)計(jì)，這些微結(jié)構(gòu)可以通過光刻蝕實(shí)現(xiàn)。因此我們猜測，Enovix在光刻硅片的時(shí)候，也可以同時(shí)加入對(duì)全硅負(fù)極的刻蝕，從而在負(fù)極內(nèi)部制造出不同形式的空隙，預(yù)留給充電時(shí)的體積膨脹。
最后，我們討論一下Enovix的商業(yè)模式。Enovix的投資者里有Intel，Qualcomm，Cypress賽普拉斯半導(dǎo)體公司這些半導(dǎo)體巨頭，但是沒有任何與汽車或動(dòng)力電池相關(guān)的公司。通過上面我們對(duì)其電池生產(chǎn)工藝的分析，其規(guī)模生產(chǎn)成本相較于傳統(tǒng)鋰電池來說必然要高很多。而Enovix自己發(fā)布的公司發(fā)展規(guī)劃，也是先著眼于小型電子設(shè)備、可穿戴設(shè)備這些對(duì)能量密度要求較高，對(duì)電池成本不那么敏感的大眾消費(fèi)電子產(chǎn)品。Enovix成品電池的能量密度可以達(dá)到340 Wh/kg或900 Wh/L，也已通過深度循環(huán)500次的測試，滿足消費(fèi)電子的要求。他們的第一條規(guī)模生產(chǎn)線正在加州建設(shè)，預(yù)計(jì)2021年開始投產(chǎn)。由于消費(fèi)電子的電池市場相對(duì)于電動(dòng)車市場來說非常小，所以Enovix也計(jì)劃在兩三年內(nèi)開始向動(dòng)力電池領(lǐng)域進(jìn)軍。他們?cè)?020年拿到的一個(gè)美國能源部資助的研發(fā)項(xiàng)目里，就與日本三菱汽車公司達(dá)成了合作關(guān)系，將開始探索這種獨(dú)特的電池設(shè)計(jì)用于動(dòng)力電池的可行性?？偠灾?，Enovix的電池技術(shù)和商業(yè)模式?jīng)Q定了它針對(duì)的市場不如動(dòng)力電池公司的寬廣，這也就解釋了為什么這家公司上市的火爆程度遠(yuǎn)不及QuantumScape那樣轟動(dòng)。
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參考文獻(xiàn)：
1. QuantumScape公司官網(wǎng)https://www.quantumscape.com/
2. Howto Build a Safer, More Energy-Dense Lithium-ion Battery。https://spectrum.ieee.org/semiconductors/design/how-to-build-a-safer-more-energydense-lithiumion-battery
3. Three-dimensionalbatteries and methods of manufacturing the same，美國專利申請(qǐng)?zhí)?0256500。
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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)（奧斯汀）化學(xué)工程博士。主要從事儲(chǔ)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(xiàng)美國能源部資助研發(fā)項(xiàng)目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎(jiǎng)。在材料學(xué)及儲(chǔ)能領(lǐng)域頂級(jí)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(qǐng)17項(xiàng)。
中和儲(chǔ)能公司簡介：
深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，旨在通過電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用助力于實(shí)現(xiàn)中國“碳中和”的目標(biāo)。發(fā)展初期，公司專注利用在儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及杰出的研發(fā)能力向中國儲(chǔ)能市場提供技術(shù)支持與咨詢服務(wù)。同時(shí)，公司著重于對(duì)中國儲(chǔ)能市場進(jìn)行調(diào)查與分析，為中國市場研發(fā)或引入最先進(jìn)、最有效的儲(chǔ)能技術(shù)。
公司技術(shù)研究與發(fā)展方向：水性儲(chǔ)能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術(shù)。
國內(nèi)業(yè)務(wù)：技術(shù)合作、學(xué)術(shù)交流、公司技術(shù)研發(fā)方向的技術(shù)講座、研發(fā)咨詢、及論文寫作指導(dǎo)。