中國儲能網(wǎng)訊：利用納米技術(shù)控制電池內(nèi)部的化學反應的斯坦福大學的崔屹教授。他 說，我想要改變世界，也想變得富有，但主要是改變世界。
“四月里，一個細雨蒙蒙的清晨，崔屹開著他的紅色特斯拉穿插在繁忙的車流中前往硅谷。崔屹是斯坦福大學的材料科學家，此行目的地是他六年前創(chuàng)建的安普瑞斯(Amprius)電池公司。碰巧的是，他駕駛的正是一輛電池驅(qū)動車，不過是租來的，不是買的，他希望在今后幾年里“我們的電池能用在這車里?！?
崔屹和他的電池公司
崔屹和他的公司正在嘗試將鋰離子電池——如今最好的商用技術(shù)——提升到一個新的高度。目前，許多公司，如松下、三星、LG化學、蘋果以及特斯拉等都在競相讓電池變得更小、更輕，同時擁有更大的儲電能力。但在這些強力的競爭者中，崔屹的公司仍然是最具開創(chuàng)性的。
與同行不同的是，同行主要關(guān)注調(diào)整電池電極或?qū)щ婋娊赓|(zhì)化學成分，崔屹正在將電池化學與納米技術(shù)結(jié)合起來。目前他正在創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)復雜的電池電極，可比標準電極更多更快地吸收和釋放大量帶電離子，同時不會產(chǎn)生有害的化學副反應。
他正在利用納米技術(shù)的創(chuàng)新技術(shù)來操控化學?！瘪R里蘭大學材料科學家和電池專家羅巍(Wei Luo，音譯)說道。
在一系列實驗演示中，崔屹展示了他是如何通過獨特結(jié)構(gòu)的電極解決長期以來困擾研究人員的一系列電池化學反應問題的。其中包括：
由硅取代標準石墨的鋰離子電池;
采用裸金屬鋰作為電極材料的電池;
提供比鋰離子電池更強大的鋰-硫化學反應電池。
目前正在探索中的納米結(jié)構(gòu)電池包括：
硅納米線和微型蛋形結(jié)構(gòu)，前者在吸收和釋放鋰離子時會膨脹和收縮，后者帶有“碳殼”，可保護含有鋰離子的硅顆?！暗包S”。
Amprius公司已經(jīng)開始供應硅電極手機電池，與市場上最好的傳統(tǒng)鋰離子電池相比較，儲電能力增加了10%，另一款正在開發(fā)中的原型產(chǎn)品的儲電能力甚至可以增加40%。到目前為止，崔屹的公司還未生產(chǎn)用在電動汽車(EVs)上的電池，但如果有朝一日該公司正在研發(fā)的技術(shù)能達到預期目標，這種汽車電池的儲能容量將達到如今最頂尖產(chǎn)品的10倍。屆時價格低廉的電動汽車也能夠和傳統(tǒng)燃油汽車一樣長距離行駛，大量的車輛可利用太陽能和風能提供電力，從而帶來汽車行業(yè)的一場革命性進展，大幅降低全球碳排放量。
“我想要改變世界，同時變得富裕，但主要還是要改變世界?！痹趧傞_始研究時崔屹說道。
他的追求已超越了電池行業(yè)，他的實驗室探索的納米新技術(shù)將催生一批為人們提供更廉價、更高效空氣和水凈化系統(tǒng)的創(chuàng)業(yè)公司。但到目前為止，崔屹取得最為矚目成就的還是在電池行業(yè)上。羅巍對崔屹成功的評價為“顛覆傳統(tǒng)、令人震驚”。西北太平洋國家實驗室材料學家劉俊(Jun Liu，音譯)的評價則更為直截了當：崔屹的納米技術(shù)對于電池行業(yè)貢獻“巨大”。
電池行業(yè)現(xiàn)狀
實現(xiàn)電池技術(shù)的飛躍難于上青天。與硅谷的電腦芯片性能在過去幾十年里呈指數(shù)增長相比較，電池的發(fā)展一直滯后。目前最好的鋰離子電池能量密度約為700Wh/L，是20世紀80年代的鎳-鎘電池的五倍。這成績雖然不錯，但還算不上真正的突破。近十年里，最好的商業(yè)電池的能量密度已翻了一番，但仍然不能滿足用戶不斷增長的需求。根據(jù)一些市場調(diào)研報告的預測，預計到2020年，鋰離子電池的市場份額可達到300億美元，隨著特斯拉、通用汽車、日產(chǎn)等汽車公司的電動汽車產(chǎn)量的增加，電池市場規(guī)模急劇擴大。
今天的電動車也還有很大的發(fā)展空間。以特斯拉的S型電動汽車為例，其70-90千瓦時的電池重達600公斤，10萬美元的一臺車，電池價格就占了3萬美元。而一次充電行程只有400公里，遠遜于傳統(tǒng)汽車。日產(chǎn)Leaf則便宜很多，標價約2.9萬美元，但是其電池組較小，最大行程只有特斯拉的1/3。
電池技術(shù)革新將給電動汽車帶來重要影響。電池能量密度每提高一倍，汽車廠商就可以在保持行程不變的情況下，將電池的體積和成本降低一半，或者選擇電池體積和成本不變，行程翻倍。“電動汽車的時代就要來臨，”但為了讓電動汽車取代傳統(tǒng)汽車，“我們必須做得更好!”崔屹說道。
納米電池起步
在他的早期研究生涯中，崔屹就意識到了這種需求。1998年從中國科學技術(shù)大學本科畢業(yè)后，他先來到美國哈佛大學，后在加州大學伯克利分校完成博士學位，并在當時最前沿的納米材料合成實驗室從事博士后研究。當時納米技術(shù)處于發(fā)展早期，研究人員還在努力尋找可靠的方法制造他們想要的材料，納米技術(shù)的應用才剛有雛形。
在加州大學伯克利分校，崔屹與勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)的同事一起切磋。當時LBNL的負責人朱棣文(Steven Chu)正在推動實驗室可再生能源技術(shù)的開發(fā)，以應對氣候變化，其中包括開發(fā)更好的電池來存儲清潔能源(2009年到2013年，朱棣文一直擔任美國總統(tǒng)巴拉克?奧巴馬政府的能源部長。)
“一開始，我并沒有過多關(guān)注能源問題，以前也沒有做過電池方面的研究?！贝抟僬f道。
但朱棣文和其他實驗室同事的努力給了他很大震動，認識到了納米科技有可能給電池帶來新的出路。正如朱棣文所說的，納米技術(shù)為電池領域帶來了一個“新的起點”，研究人員不僅能在最小尺度下控制電池材料的化學成分，還能通過重新安排材料中的原子控制電池的化學反應。
來到斯坦福大學后，崔屹迅速開始了結(jié)合納米技術(shù)與電池電化學的研究。
以鋰離子充電電池為例，原則上，這些電池的結(jié)構(gòu)原理很簡單：兩個電極由一層薄膜作為“分離器”分隔開，液體電解質(zhì)可讓離子在電極之間來回滑動。
電池充電時，鋰離子從正極或陰極釋放，陰極材料為鋰合金，通常為鈷酸鋰或鋰磷酸鐵，釋放的鋰離子被吸引到帶負電荷的電極(也叫陽極，陽極通常用石墨制成)，并緊緊集聚在石墨的碳原子之間。來自外部的電源電壓驅(qū)動著整個離子群大規(guī)模移動，從而達到存儲電能的目的。
當某項設備，如電動工具或汽車開動需要能源時，電池放電，聚集在石墨碳原子間的鋰原子釋放電子通過外部電路到達陰極，同時，石墨中釋放出來的鋰離子穿過電解液和“分離薄膜”到達陰極，在那里與電子相遇，完成電池電路的循環(huán)之旅。
石墨是如今最理想的負極材料，其高導電性可輕松地將電子傳遞到電路中的金屬導線中。但在放電過程中石墨收集鋰離子的能力卻很一般。六個碳原子才能“抓住”一個鋰離子，較弱的吸取能力限制了電極中可容納的鋰含量，即限制了電池儲存能量的能力。
硅在這方面更好一些，每個硅原子能夠“綁定”四個鋰離子，這意味著硅基負極的儲能量可達到石墨材料負極的10倍。幾十年來，電化學家一直在為開發(fā)硅基負極的這種潛力而付出了不懈的努力，但一直勞而無功。
利用硅材料制造負極很簡單，問題在于這種負極無法持續(xù)穩(wěn)定地存在。電池充電時，鋰離子大量涌入并與硅原子結(jié)合，負極材料可膨脹300%，然后在放電過程中，隨著鋰離子的流出，負極材料迅速收縮。硅電極經(jīng)不起幾次折騰就會斷裂，分裂成細小的顆粒。電池的負極，或者說整個電池就這樣報廢了。
崔屹覺得自己可以解決這個問題，在哈佛大學和加州伯克利的經(jīng)歷告訴他，納米材料與普通材料的行為是有所不同的。首先，納米材料表面所含原子的比例高于其內(nèi)部，同時其表面的原子很少受相鄰原子的束縛，在承受壓力和應力時可以移動的自由度也更高。
納米電池創(chuàng)新
2008年，崔屹提出用納米硅制作硅負極，這樣可以減輕導致塊狀硅負極瓦解的壓力和應力。他的想法果然可行，在發(fā)表在《自然?納米科技》(Nature Nanotechnology)上的論文中，崔屹和他的同事展示了他們的研究成果，在經(jīng)歷多次鋰離子流入流出硅納米導線的過程后，納米線幾乎沒有損壞，甚至在經(jīng)過了10輪充電和放電循環(huán)后，負極仍擁有75%的理論儲電能力。
遺憾的是，硅納米線比塊狀硅更難制備，也更為昂貴。于是崔屹和同事們開始研究降低硅負極材料成本的途徑。首先，他們找到了利用球形硅納米顆粒制備鋰離子電池負極的辦法，雖然解決了成本問題，但他們又要面對另一個問題。隨著鋰原子的流入流出，納米顆粒也隨之收縮和膨脹，導致粘合納米粒子的膠開裂，液體電解質(zhì)通過這些裂縫在納米粒子間滲透，產(chǎn)生化學反應，在硅納米粒子表面形成一個非導電層，被稱為固體電解質(zhì)膜 (solid-electrolyte interphase，SEI)，隨著這層膜越積越厚，負極的電荷收集能力漸被破壞。崔屹實驗室的一名研究生說道，“它們就像是疤痕組織一樣?！?
幾年后，崔屹的團隊又嘗試了納米技術(shù)的另一種解決辦法。他們制備了蛋形納米粒子，在這些微小的硅納米粒子(即“蛋黃”)周圍裹上一層高傳導性的碳外殼，鋰離子可以自由通過這層外殼，而這層碳外殼可以給予“蛋黃”中的硅原子膨脹和收縮的足夠空間，同時保護其免受電解質(zhì)化學反應形成的SEI的困擾。在2012年發(fā)表在《納米快報》(Nano Letters)上的論文中，崔屹的研究團隊報告稱，經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，這種蛋黃殼式(yolk-shell)電極仍保留了74%的儲電能力。
兩年之后，這種“蛋黃殼式”納米粒子有了進一步改進，它們被組裝成微米級的組合結(jié)構(gòu)，就像一個微型石榴。這種新的硅納米球體結(jié)構(gòu)可提高負極的鋰儲存量，降低電解質(zhì)中的有害副反應。2014年2月，崔屹在《自然?納米科技》上發(fā)表了納米電池的新進展，建立在新材料基礎上的電池，經(jīng)過1000次充電放電循環(huán)后，保持了高達97%的電池容量。
“隨著電池公司的啟動運行，崔屹還計劃將納米技術(shù)應用于空氣凈化和水凈化項目”
今年早些時候，崔屹的團隊報告稱，他們有了一個比“微型石榴”組合式納米結(jié)構(gòu)更好的方案。他們將較大的硅納米粒子錘打至微米級粒子，然后包裹在極薄的石墨烯碳層內(nèi)。如此處理制成的硅納米粒子比之前的 “微型石榴”更大，如此大的體積通常在經(jīng)過幾次充放電后就會斷裂，但石墨烯的包裹層可阻止電解質(zhì)接觸到硅納米材料，同時輕松將電荷傳遞到金屬導線。相關(guān)成果已發(fā)表在《自然?能源》(Nature Energy)雜志上。硅納米粒子越大，一定體積內(nèi)容納的電能也越多，與“微型石榴”納米結(jié)構(gòu)相比較，成本更低，制作也更簡單。
他這次真的找對了方向。”劉俊說道。
在這些創(chuàng)新想法的激勵下，Amprius公司籌集了1億美元進行硅負極鋰離子電池的商業(yè)開發(fā)。Amprius公司在中國生產(chǎn)的手機電池銷售量已達100萬，公司首席技術(shù)官韓松(Song Han，音譯)說道，這種以簡單硅納米為基礎的電池生產(chǎn)成本較低，但容量只比如今的鋰離子電池高10%。但在Amprius公司總部，韓松展示的納米線-硅電池的技術(shù)原型可提高儲電容量40%，他說，這只是一個開始，硅負極電池的未來前景無可限量。
現(xiàn)在，崔屹的目光已超越了硅材料。一個研究重點是用純金屬鋰制做負極，純金屬鋰一直被視為終極負極材料，因為與硅材料相比，它具有儲能量更大、質(zhì)量更輕的更好潛力。
但還有一些重大技術(shù)難題有待于解決。首先，鋰金屬電極周圍通常會形成鋰離子可以穿過的SEI層，因此SEI層可充當鋰負極的保護層，從這點來說是好事。但隨著電池充電放電的多次循環(huán)，金屬鋰也像硅納米粒子那樣膨脹收縮，最終破壞SEI保護層，鋰離子在斷裂處積聚起來，在電極中形成許多被稱為“枝晶”的金屬尖刺。
這種枝晶會刺破電池隔板，導致電池短路并起火?！贝抟傺芯繄F隊中的另一名研究生說道。
傳統(tǒng)工藝一直未能解決這個問題，但納米技術(shù)也許可以。為阻止金屬枝晶形成，崔屹團隊采取的一種辦法是，通過給負極加上一層相互連通的納米碳球體來穩(wěn)定SEI層;另一種方法是在更大的碳殼里，加上一層新的由金納米粒子構(gòu)成的“蛋黃殼”粒子，金納米顆粒吸收鋰離子，殼層為鋰的膨脹和收縮提供空間，從而解決了SEI層產(chǎn)生裂縫和形成金屬枝晶的問題。
電池負極的改進只是成功的一半。崔屹的團隊同時還利用相似的納米技術(shù)來改進正極材料，特別是硫。就像硅被視為最佳負極材料一樣，長期以來硫也被視為正極材料的最佳選擇。每個硫原子可以結(jié)合兩個鋰離子，理論上可使正極的儲電能力增加幾倍。同樣重要的是，硫材料相當便宜。但在具體實踐上同樣存在一些問題，硫的導電能力相當一般，而且還會與普通的電解質(zhì)反應，生成危害電池的有害化學物質(zhì)，導致幾次充電放電后電池就報廢了。另外在放電過程中，硫正極傾向于積聚電荷，而不是釋放電荷。
在尋求納米解決方案的過程中，崔屹的團隊將硫粒子包裹在高導電性二氧化鈦的外殼里，與傳統(tǒng)電池相比，電池容量提高了5倍，同時也防止了損害電池的有害化學物質(zhì)的形成。研究人員還制作了硫基版本的“微型石榴”，將硫固定在長而細薄的納米纖維中。這些革新措施不僅增加了電池容量，還將庫倫效率(指電池放電效率)從86%提高到99%。
如今，納米電池的正負兩極都達到了高容量的要求?！贝抟僬f道。
崔屹的下一步目標是將這兩種創(chuàng)新融合為一體，他希望能將硅負極與硫正極成功結(jié)合在一起，制造出高容量低成本的電池，從根本上改變世界能源格局。
我相信，如果我們的納米電池能獲得最后的成功，將對世界產(chǎn)生很大的影響。”崔屹說道。
原標題:納米技術(shù)或從根本上解決電動車儲能瓶頸——斯坦福中國科學家最新成果備受期待
