在美国众多研发硅负极材料的公司里，有一个很年轻的小公司叫Group14科技公司，于2016年在西雅图成立。这家公司虽然很年轻，但已引起很多关注，是因为它在成立前后都与一些知名公司息息相关。

Group14是从一家名为EnerG2的公司里独立出来的。EnerG2是一家研发生产碳材料的公司，成立于2003年。在成立后的十多年里一共吸引了3000万美元的融资，从2014年开始与德国巨头巴斯夫公司合作。最终，巴斯夫在2016年收购了EnerG2，希望借助它在碳材料方面的成熟技术进入锂电池负极材料的商业领域。

就在EnerG2被巴斯夫收购的同年，EnerG2的几个领头人拿到了一笔美国能源部280万美元的经费，用于资助硅碳复合材料的研究。于是他们决定用这笔钱单独成立一个公司来继续创业，并没有把这一块业务包括在与巴斯夫的收购交易中。这就是Group14成立的原因。巴斯夫当然也不会放过这个潜在的机会，所以继续押宝投资Group14以支持新材料的研发。

2019年，Group14公司进行了A轮融资，筹得1800万美元，投资者包括宁德时代，日本昭和电工，Cabot，巴斯夫公司。开局就很受宠，说明大家都相信巴斯夫的眼光。

2020年9月，Group14携手几家合作伙伴又拿下了一笔美国能源部400万美元的研发经费，用于资助新型电池负极材料项目。合作伙伴里有Cabot（碳材料公司）、孚能科技（电池公司）、Silatronix（电极材料公司）、Arkema（法国材料公司巨头）、以及美国西北太平洋国家实验室。西太实验室有多年的硅负极材料研究经验，发表了很多顶级期刊论文，在美国是一个非常有力的硅负极材料研发引擎。

紧接着在2020年12月，Group14宣布获得B轮融资1700万美元，领投者为韩国巨头SK公司，让Group14再添一道光环。这意味着，短短的两年间Group14获得了超过3900万美元的资金，可谓飞速发展。Group14称将利用这一轮融资提高产能加速生产旗舰产品SCC55™硅碳复合负极材料，以满足急速增长的动力电池市场需求。这款旗舰产品，相比于传统的石墨负极将储能密度提高了50%。公司预计在2021年初，将开始向合作伙伴供货。

根据Group14的网站及以往的新闻报道来看，Group14生产硅碳复合材料的方式是先用高分子材料制造出像海绵一样具有多孔结构的碳颗粒，然后向碳颗粒的孔隙里加入硅纳米颗粒形成复合材料。为了更清楚地了解Group14的技术，我们深入研究了Group14及其前身EnerG2公司申请的技术专利，来一探究竟。

EnerG2公司在2016年前申请的几项专利，描述了如何制备硅碳复合材料。其中一种方法如下图所示，先将纳米硅材料（球形、线形或管形）分散在有机溶剂里，加入聚甲基丙酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃）的单体让它们形成聚合物覆盖在纳米硅材料表面。再加入另一套反应物，在颗粒外面再包裹一层间苯二酚甲醛聚合物（RF）。将颗粒洗净加热到600度以上，内层的有机玻璃完全分解留下一层空隙，外层的RF化成碳颗粒形成保护层，这也是俗称的蛋黄-蛋壳结构。

另一种制备硅碳复合颗粒的方法，将硅铝合金颗粒里的铝金属用酸溶掉，剩下来的硅多孔颗粒分散进高分子预聚体溶液里，让预聚体浸入到孔隙中。然后加热让预聚体反应变成高分子材料，再高温碳化高分子将其转变为碳材料，这样碳材料就充斥在硅颗粒的孔隙中以及外表层，将硅材料保护起来。下图就是一颗多孔硅颗粒的电子扫描电镜照片。

Group14公司从2016年前后开始申请专利，其中一个专利描述了几种从硅铝合金制备具有纳米微孔的硅颗粒的方法。第一种方法是将硅铝合金颗粒分散在酸溶液里，利用酸液溶解掉颗粒里的铝金属，剩下的硅材料就成为具有纳米微孔的颗粒（如下图所示），还可以根据应用需要将其进一步打碎成尺寸更小的颗粒。第二种方法是将硅铝合金颗粒放在密闭容器里加热到几百度的高温，然后通入腐蚀性气体比如氯气、氯化氢、氟气等，气体与铝金属反应生成金属盐，随后可以通过水溶解的方法将金属盐移除，剩下的硅材料变成带有纳米孔径的颗粒。

Group14公司也申请了几个关于如何制备硅碳复合材料的专利。最早的一种方法是向多孔碳颗粒的孔隙里通入硅烷气体，通过加热使气体沉淀成硅纳米颗粒分散在多孔碳的孔隙里。多孔碳颗粒的尺寸一般在1到10微米，孔隙里沉淀的硅颗粒尺寸一般在100nm以下。下面的电镜照片显示的就是纳米硅颗粒分散在碳颗粒孔隙内的样子。

然而上述制备硅碳复合材料的成本太高，并不适用于大规模生产，所以Group14接下来公布了一种新的制备方法。选择特定的高分子预聚物，将其聚合成高分子材料，在高温下碳化高分子材料得到有多孔结构的碳颗粒。向碳颗粒里注入含硅元素的化合物，加热将含硅化合物分解成纳米硅颗粒填充在孔隙里。接下来还可以再增加一层碳包覆，可以向碳颗粒的孔隙里灌入高分子预聚物，加热分解形成碳层覆盖在纳米硅颗粒上；也可以将整颗碳颗粒包裹在高分子材料内，然后加热分解形成碳层覆盖在整颗碳颗粒外面。通过这个方法获得的产品与Group14官网的描述比较相似，如下图所示——中间黑白相间的大球代表硅纳米颗粒与孔隙，周围围绕的小黑点代表碳原子。因此，我们猜测这就是Group14公司将要投入到大规模生产的技术。

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参考文献：

1.    Group14公司官网https://www.amprius.com/

2.    Compositesof porous nano-featured silicon materials and carbon materials，美国专利申请号20190097222。

3.    Nano-featuredporous silicon materials, 美国专利号10763501。

4.    Compositecarbon materials comprising lithium alloying electrochemical modifiers，美国专利号10714744。

5.    Decompositionof silicon-containing precursors on porous scaffold materials，美国专利申请号20200020935。

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作者简介：

谢伟博士，清华大学材料学学士和硕士，美国德克萨斯大学（奥斯汀）化学工程博士。主要从事储能电池开发工作，先后在跨国企业及初创公司任要职，主持多项美国能源部资助研发项目，获得2013年全美年度100最佳研发技术大奖。在材料学及储能领域顶级期刊发表论文17篇，担任5家国际期刊审稿工作，拥有国际发明专利申请17项。

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