Science評(píng)崔屹電池納米技術(shù)改變世界

1、How to build a better battery through nanotechnology Science 評(píng)崔屹：電池納米技術(shù)改變世界！電腦芯片 -硅谷的原始創(chuàng)新，幾十年來(lái)呈指數(shù)級(jí)飛躍發(fā)展。相比之下，電池 技術(shù)的發(fā)展就顯得非常滯后。 十年以來(lái)， 市場(chǎng)上最好的鋰離子電池能量密度翻了 一倍，目前最好的鋰離子電池能量密度大約 700 Wh L-1，比20實(shí)際80年代的 Ni-Cr 電池提高了 5 倍，這個(gè)水平不差，但是沒(méi)有什么突破性的進(jìn)展。電池使用者的需求日益增加！ 據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司的報(bào)告稱， 僅僅是鋰離子電池 的市場(chǎng)到 2020 年就將達(dá)到 300 億美元。其中一部分來(lái)自于電動(dòng)汽車制

2、造商，譬 如特斯拉、通用汽車和日產(chǎn)等。以特斯拉S型車為例，其70-90 kWh電池重600kg,價(jià)格約3萬(wàn)美元，這種 汽車的價(jià)格超過(guò) 10 萬(wàn)美元，而一次續(xù)航只有 400 公里，大大低于普通汽車。日 產(chǎn)的Leaf型車比較便宜，價(jià)格約2.9萬(wàn)美元，但是其電池很小，續(xù)航僅有特斯拉 的 1/3。提高電池技術(shù)將產(chǎn)生重大影響。 電池能量密度提高一倍， 可以在保持續(xù)航能 力的條件下將價(jià)格和電池尺寸減半， 或者在保證電池尺寸的條件下， 使續(xù)航能力 翻倍。，崔毅認(rèn)為： “電動(dòng)汽車的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，但是，我們需要做得更好！ ”世界各大公司，諸如松下、三星、LG、蘋果以及特斯拉等都致力于電池的 微型化、輕量化以及更

3、加動(dòng)力化。在這些強(qiáng)勁的選手中，崔屹，一直是一股先鋒 力量。崔屹，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)家， 6 年前創(chuàng)立 Amprius 電池公司。和其他公司 致力于調(diào)整電池電極或者電解質(zhì)的化學(xué)成分不一樣的是， 崔屹致力于將電池和納 米技術(shù)結(jié)合。他正在構(gòu)筑一系列復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電池電極，比標(biāo)準(zhǔn)電極可以更大量、 更迅速的吸收和釋放帶電離子，而且不會(huì)產(chǎn)生不希望得到的副產(chǎn)物。目前他正在探索的納米構(gòu)筑電極方法主要包括：硅納米線和納米 yolk-shell 結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)研究， 崔屹向大家展示了他如何利用納米技術(shù)來(lái)解決電 池化學(xué)中長(zhǎng)期存在并阻礙科技發(fā)展的重難點(diǎn)問(wèn)題：1）利用Si取代標(biāo)準(zhǔn)石墨，作為鋰離子電池負(fù)極材料； 2）

4、利用金屬鋰作為負(fù)極材料； 3）基于 Li-S 化學(xué)的電 池，將比任何鋰離子電池更強(qiáng)大。崔屹說(shuō)，當(dāng)他開(kāi)始從事研究時(shí)，就致力于 “改變世界，同時(shí)變得富裕，但是以改 變世界為主 ”。崔屹的團(tuán)隊(duì)還在孵化一些創(chuàng)業(yè)公司，旨在利用納米技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提 供更便宜、更高效的空氣和水凈化系統(tǒng)。盡管如此，電池還是他的主戰(zhàn)場(chǎng)！ 在科研生涯的早期，崔屹就意識(shí)到了這種需求。 1998 年本科畢業(yè)之后，崔 屹赴哈佛拿到了 PhD 學(xué)位，然后在伯克利進(jìn)行博后研究。這期間，他在實(shí)驗(yàn)室 從事最前沿的納米材料的合成工作。 當(dāng)時(shí)還處于納米技術(shù)的早期， 研究人員還致 力于控制合成希望得到的納米材料，納米技術(shù)的應(yīng)用還處于雛形階段。在伯克利的

5、時(shí)候，受到勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任 Steven Chu 的啟發(fā)， 崔屹開(kāi)始接觸之前從沒(méi)有接觸過(guò)的電池領(lǐng)域。 Chu 認(rèn)為，納米技術(shù)為清潔能源提 供了一個(gè)嶄新， 而又重要的旋鈕。 研究人員不僅可以在最小的尺度上控制材料的 化學(xué)成分， 還可以控制材料內(nèi)部原子的排列， 從而真正明白所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是 如何進(jìn)行的！加入斯坦福之后， 崔屹就致力于將納米技術(shù)和電池電化學(xué)緊密結(jié)合， 開(kāi)發(fā)了 一系列新型的電池納米技術(shù)。硅納米線取代石墨負(fù)極 石墨是目前最優(yōu)的負(fù)極材料， 其高導(dǎo)電性， 使電子可以很容易傳遞到電路的 金屬導(dǎo)線中。 但是石墨在放電過(guò)程中收集鋰離子的能力馬馬虎虎， 需要六個(gè)碳原 子來(lái)結(jié)合一個(gè)鋰離子，

6、 這種缺陷限制了電極所承載的鋰含量， 從而限制了電池所 能儲(chǔ)存的能量。在這方面，硅就可以做得更好！每個(gè) Si 原子都可以和 4 個(gè)鋰離子結(jié)合，理 論上來(lái)說(shuō)，硅基負(fù)極材料比石墨負(fù)極材料可以存儲(chǔ)多 10 倍的能量，這是電化學(xué) 家們幾十年來(lái)苦苦追尋都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。利用塊狀的Si來(lái)制備負(fù)極材料是很容易的，其問(wèn)題在于，這種 Si基材料穩(wěn) 定性較差。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子嵌入負(fù)極，和硅原子結(jié)合，負(fù)極材料膨脹3倍。放電時(shí)，鋰離子脫離，負(fù)極材料就迅速收縮。幾個(gè)循環(huán)之后，硅電極就發(fā)生 破碎，直到土崩瓦解成小碎片，電池也就失效了。崔屹認(rèn)為， 它能夠解決這個(gè)問(wèn)題。 哈佛和伯克利的研究工作教會(huì)了他， 體相 材料到納米

7、尺度之后常常會(huì)表現(xiàn)出完全不一樣的性質(zhì)。 首先，納米材料表面原子 占所有原子數(shù)的比例更大， 表面原子不受相鄰原子的影響， 在應(yīng)力和壓力的作用 下可以更容易移動(dòng)。2008 年，崔屹發(fā)明了一種硅納米線負(fù)極，有效減緩了壓力和應(yīng)力作用，徹 底擊敗了體相硅負(fù)極材料。 當(dāng)鋰離子在硅納米線中嵌入和脫離時(shí)， 硅納米線受到 的損傷非常小，經(jīng)過(guò) 10 次循環(huán)，這種負(fù)極材料還可以保持其理論儲(chǔ)能容量的 75%。不幸的是，和體相硅材料相比，硅納米線更貴，也更不容易獲得。于是，崔 屹及其合作者開(kāi)始尋找更便宜的硅負(fù)極納米技術(shù)。 首先，他們利用球形硅納米顆 粒來(lái)制備鋰離子電池負(fù)極。雖然從理論上來(lái)說(shuō)，這種材料更加便宜，但是，第二

8、 個(gè)問(wèn)題又來(lái)了：鋰離子嵌入和脫離造成的膨脹和收縮使得粘結(jié) Si 納米顆粒的膠 水開(kāi)裂，液體電解質(zhì)滲透到納米顆粒之間，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并在 Si 納米顆粒表 面包裹上一層非導(dǎo)電物質(zhì)，稱之為固體電解質(zhì)相界面膜( SEI)。這層SEI膜慢 慢變厚，最終破壞了負(fù)極的電荷收集能力。Yolk-Shell 納米結(jié)構(gòu)新型負(fù)極幾年之后，崔屹及其合作者轉(zhuǎn)向另一項(xiàng)納米技術(shù)解決方案：蛋黃結(jié)構(gòu)(yolk-shell)納米顆粒。將硅納米顆粒包裹在高導(dǎo)電的空心碳?xì)ぶ?，鋰離子可 以在碳?xì)ぶ凶杂蛇M(jìn)出。空心殼層為內(nèi)部硅原子的膨脹和收縮提供了足夠的空間， 同時(shí)又保護(hù)他們不受電解質(zhì)的干擾，這種負(fù)極材料在 1000 次充放電循環(huán)之后，

9、 容量可保持 74%。2 年之后，他們將這種 yolk-shell 結(jié)構(gòu)的納米顆粒組裝到微米尺度，像一個(gè) 微型石榴。 將硅納米顆粒聚成一團(tuán)的好處就是， 增大了負(fù)極儲(chǔ)存鋰和儲(chǔ)存能量的 能力，并減少了電解液造成的副反應(yīng)， 1000次充放電循環(huán)之后， 容量可保持 97%。今年年初，崔屹及其合作者又報(bào)道了一種比他們復(fù)雜的石榴型負(fù)極更加優(yōu)越 的新策略。 他們直接將體相的硅顆粒敲碎到微米尺度， 然后將它們包裹在石墨烯 材料中。雖然這種微米的硅顆粒更容易破碎， 但是石墨烯的包裹不僅防止電解液 的接觸，還可以維持和破碎的顆粒的接觸， 繼續(xù)傳遞電荷到金屬導(dǎo)線。 更重要的 是，這種微米的硅顆?？梢蕴畛浒b得更加緊

10、密， 從而具有更強(qiáng)的動(dòng)力。 而且更 加便宜和容易生產(chǎn)。金屬鋰負(fù)極現(xiàn)在，崔屹又開(kāi)始探索硅之外的體系， 其中一個(gè)重點(diǎn)就是用金屬鋰來(lái)制備負(fù)極。金屬鋰一直以來(lái)被認(rèn)為是最優(yōu)秀的負(fù)極材料， 可儲(chǔ)存比硅更多的能量， 而且更輕金屬鋰作為負(fù)極材料的一個(gè)首要問(wèn)題在于： SEI 非導(dǎo)電層的包裹。好消息是， 鋰離子可以穿透這層材料， 因而 SEI 層可以作為保護(hù)層。 不幸的是：和硅納米顆 粒一樣，在膨脹和收縮過(guò)程中，容易破壞 SEI 層，產(chǎn)生裂縫。鋰離子在裂縫中堆 積，產(chǎn)生金屬枝狀物，在電解液中生長(zhǎng)，以至于刺破電池分離器，使電池短路， 造成起火。常規(guī)方法沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題， 但是納米技術(shù)可以。 防止枝晶的一個(gè)辦法就是，

11、 在負(fù)極表面包裹一層碳納米球作為中間層，來(lái)穩(wěn)定SEI層。另一個(gè)辦法就是，利用更大的碳?xì)ぐ?Au 納米顆粒作為負(fù)極， Au 可以結(jié)合鋰離子，而碳?xì)殇?的膨脹和還收縮提供空間，從而不會(huì)破壞 SEI 層，防止枝晶的形成。硫正極 提高負(fù)極效果僅僅是提升電池性能的一半。 崔屹還采用類似的納米技術(shù)用于 提高以 S 為主的正極材料的性能。 和硅在負(fù)極中一樣， S 也一直被視作正極材料 的潛力股。每個(gè)S原子可以結(jié)合2個(gè)鋰離子，使得其理論儲(chǔ)能能力比常規(guī)鋰離子 電池高好幾倍。同樣重要的是，S非常便宜。其問(wèn)題在于：S的導(dǎo)電性一般，而 且容易和電解液發(fā)生反應(yīng)， 充放電幾個(gè)循環(huán)之后， 副產(chǎn)物就會(huì)使電池失效。 放電

12、 過(guò)程中，S正極也傾向于儲(chǔ)存電荷，而不是釋放它們。為了尋找納米解決方案， 崔屹團(tuán)隊(duì)將 S 顆粒包裹在高導(dǎo)電性的 TiO 2空心殼 層中，使得電池容量比常規(guī)鋰離子電池提高了 5倍，并有效防止了 S的副產(chǎn)物對(duì) 電池的毒化。同時(shí)，他們還制備了石榴型的 S基正極材料，或者將S嵌入納米 纖維中。這些技術(shù)不僅大大提高了電池容量，還將庫(kù)倫效率（電池放電性能）從 86%提高到 99%。Amprius 公司已經(jīng)投入超過(guò) 1 億美元用于硅負(fù)極鋰離子電池的商業(yè)化。 公司 已經(jīng)在中國(guó)制造手機(jī)電池， 并售出 1 百萬(wàn)套。 基于簡(jiǎn)單硅納米顆粒電極的手機(jī)電 池，比目前市場(chǎng)中最好的商業(yè)鋰離子電池可多儲(chǔ) 10%的能量，另一個(gè)基于硅納米 線的雛形產(chǎn)品可多存儲(chǔ) 40%的能量，而實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)的產(chǎn)品具有更優(yōu)越的性 能。這還只是基于硅納米技術(shù)負(fù)極的鋰離子電池的開(kāi)始。至今為止， Amprius 公司尚未開(kāi)始制造電動(dòng)車電池，但是一旦崔屹正在研發(fā) 的技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)，他們將制造出比目前最佳性能儲(chǔ)能多達(dá) 10 倍的電動(dòng)車電池。這將在汽車領(lǐng)域帶來(lái)革命性的突破，極大地降低碳排放。崔屹說(shuō)，接下來(lái)他打算融合所有這些關(guān)鍵的納米技術(shù)創(chuàng)新成果，將硅負(fù)極和硫正極整合成全電池，希望能開(kāi)發(fā)出更便宜、更高容量的電池，改變整個(gè)世界的 供能方式。這將幫助他改變世界