崔屹的納米電池，能否改變電池行業(yè) - 全文

　　一個(gè)細(xì)雨綿綿的四月清晨，崔屹開(kāi)著他的紅色電動(dòng)特斯拉前往硅谷。身為斯坦福大學(xué)的材料學(xué)家，他在六年前創(chuàng)立了Amprius電池公司。未來(lái)幾年里，他們將進(jìn)行足以改變世界的關(guān)鍵性革新：“希望我們的電池能夠用在這車(chē)?yán)铩！?/p>

　　崔屹和他的公司希望將今天流行的鋰離子電池推向新的高度。目前，松下、三星、LG化學(xué)、蘋(píng)果以及特斯拉等知名企業(yè)都在努力將電池微型化，輕量化，并提升其容量。盡管強(qiáng)者如云，崔屹仍然保持著強(qiáng)勁的勢(shì)頭。

　　電池行業(yè)中，很多人都在關(guān)注電極或者電解質(zhì)的化學(xué)成分，而崔屹另辟蹊徑，將電池化學(xué)和納米技術(shù)結(jié)合到了一起。目前他在創(chuàng)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的的電池電極，與標(biāo)準(zhǔn)電極相比，能夠更多、更快地吸收和釋放帶電離子，同時(shí)不會(huì)引起不利的副反應(yīng)。

　　馬里蘭大學(xué)的材料和電池專家羅巍這樣評(píng)價(jià)：“他 （崔屹） 正在利用納米技術(shù)的革新來(lái)操控化學(xué)?！?/p>

　　電池的市場(chǎng)

　　在一系列演示實(shí)驗(yàn)中，崔屹展示出其特有架構(gòu)的電極能夠“主宰”電池的化學(xué)反應(yīng)。其中鋰離子電池電極中的標(biāo)準(zhǔn)石墨由硅取代；采用裸金屬鋰作為電極材料；在鋰-硫化學(xué)基礎(chǔ)上，將提供比鋰離子電池更為強(qiáng)大的能量。他正在探索的納米架構(gòu)包括硅制納米線，這在膨脹和收縮時(shí)能夠相應(yīng)地吸收和釋放鋰離子，其微小的蛋形結(jié)構(gòu)具有碳?xì)?，可保護(hù)其中富含鋰離子的硅顆?！暗包S”。

　　Amprius公司已經(jīng)開(kāi)始供應(yīng)配備硅電極的手機(jī)電池，這比市場(chǎng)上最好的傳統(tǒng)鋰離子電池儲(chǔ)能多出10%。另一款正在開(kāi)發(fā)中的原型產(chǎn)品更為優(yōu)秀，甚至可以多存儲(chǔ)40%的能量。目前為止，崔屹的公司還尚未給電動(dòng)汽車(chē)提供電池。如果崔屹正在研發(fā)的技術(shù)有朝一日能夠獲得成功，那么他們制造的汽車(chē)電池將比現(xiàn)在頂尖產(chǎn)品性能高出10倍。這將為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)一次革命，因?yàn)閮r(jià)格低廉的電動(dòng)汽車(chē)將能夠行駛和傳統(tǒng)耗油汽車(chē)一樣的距離，從而大幅度降低全球碳排放。

　　崔屹說(shuō)，當(dāng)他剛開(kāi)始從事研究時(shí)，想要“改變世界，同時(shí)變得富裕，但主要還是改變世界”。他們的主要目標(biāo)還是電池行業(yè)，不過(guò)也在探索納米新技術(shù)，孵化創(chuàng)業(yè)公司，以提供更廉價(jià)、更高效的空氣和水凈化系統(tǒng)。羅巍認(rèn)為他走的是一條“不尋常”之路，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料學(xué)家劉俊的評(píng)價(jià)則更為直截了當(dāng)：崔屹的納米技術(shù)對(duì)于電池的貢獻(xiàn)是“巨大的”。

　　幾十年來(lái)，硅谷電腦芯片的性能已經(jīng)獲得了指數(shù)級(jí)的提升，相比之下，電池技術(shù)想要大步邁進(jìn)則困難得多。目前最好的鋰離子電池能量密度約為700Wh/L，這大概是上世紀(jì)80年代鎳-鎘電池的五倍。這成績(jī)雖然不俗，但還算不上突破。在近十年，商業(yè)電池的能量密度差不多翻了一番。

　　然而用戶的需求沒(méi)有止境，預(yù)計(jì)到2020年，鋰離子電池的市場(chǎng)份額可達(dá)到300億美元。其中電動(dòng)車(chē)電池的比例將有所增加，相關(guān)企業(yè)包括特斯拉、通用汽車(chē)和日產(chǎn)等等。

　　今天的電動(dòng)車(chē)具有很大的發(fā)展空間。以特斯拉Model s為例，其70-90千瓦時(shí)的電池重達(dá)600公斤。十來(lái)萬(wàn)美元的一臺(tái)車(chē)，這樣一塊電池的價(jià)格就占3萬(wàn)美元。而一次充電，只能續(xù)航400公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上傳統(tǒng)汽車(chē)。日產(chǎn)Leaf作為入門(mén)級(jí)小型電動(dòng)車(chē)則便宜很多，整車(chē)約2.9萬(wàn)美元。但是其電池組較小，續(xù)航只有特斯拉的1/3。

　　電池技術(shù)的革新將帶來(lái)重要的影響。假如電池能量密度提高一倍，汽車(chē)廠商就可以在保持續(xù)航不變的情況下，將電池的體積和成本減半，或者選擇保持電池不變，使續(xù)航里程翻倍。崔屹說(shuō)：“電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)代就要來(lái)臨，”為了完成這一過(guò)渡，“我們必須做得更好！”

　　從無(wú)到有

　　很早以前，崔屹就意識(shí)到了這一趨勢(shì)。1998年從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)后，他來(lái)到美國(guó)，在哈佛大學(xué)取得博士學(xué)位，后到加州伯克利大學(xué)從事博士后研究。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)發(fā)展的早期，研究人員還在努力尋找可靠的方法以制造他們想要的材料，納米技術(shù)的應(yīng)用才剛剛起步。

　　“最開(kāi)始，我并沒(méi)有去琢磨能量，我從來(lái)沒(méi)有做過(guò)電池方面的研究，” 崔屹講道。在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任Steven Chu的啟發(fā)下，崔屹走上了新的道路。在Steven Chu看來(lái)，納米技術(shù)為電池領(lǐng)域帶來(lái)了一個(gè)“新的抓手”，研究人員將不僅能在最小的尺度下控制材料的化學(xué)成分，還能控制材料中原子的排布，進(jìn)而掌握其中所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。

　　來(lái)到斯坦福后，崔屹很快將納米技術(shù)和電池的電化學(xué)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)始研究它們的實(shí)際應(yīng)用。

　　研究團(tuán)隊(duì)曾嘗試了多種納米相關(guān)技術(shù)，以防止硅制負(fù)極的瓦解，防止致命的副反應(yīng)發(fā)生。

　　石墨可謂現(xiàn)今最理想的負(fù)極材料，其高導(dǎo)電性可以輕松地將電子傳遞到電路金屬導(dǎo)線中。但是在放電過(guò)程中，石墨收集鋰離子的能力則說(shuō)不上優(yōu)秀。“搞定”一個(gè)鋰離子需要六個(gè)碳原子。這種偏弱的抓握力限制了電極中可容納的鋰含量，也就限制了電池能夠存儲(chǔ)的能量多少。

　　在這方面，硅的潛力更好。每個(gè)硅原子能夠“綁住”四個(gè)鋰離子。也就是說(shuō)硅基負(fù)極所存儲(chǔ)的能量是石墨材料的10倍之多。幾十年來(lái)，電化學(xué)家一直在為此目標(biāo)而不懈努力。

　　利用硅材料制造負(fù)極很簡(jiǎn)單，問(wèn)題在于這種負(fù)極無(wú)法穩(wěn)定存在。在充電過(guò)程中，鋰離子涌入并與硅原子結(jié)合，負(fù)極材料將膨脹三倍；而在放電過(guò)程中，鋰離子流出，負(fù)極材料又迅速萎縮。經(jīng)過(guò)幾次這樣的折磨，硅電極會(huì)斷裂并最終瓦解為細(xì)小的顆粒。負(fù)極，或者說(shuō)整個(gè)電池就這么完蛋了。

　　崔屹認(rèn)為他能夠解決這一問(wèn)題。哈佛大學(xué)和加州伯克利的經(jīng)歷讓他明白，體相材料的屬性在納米尺度下常常會(huì)發(fā)生變化。首先，納米材料表面的原子比例較其內(nèi)部更高。同時(shí)表面原子所受相鄰原子的束縛更小，它們?cè)谑艿綁毫蛻?yīng)力時(shí)可以自如地移動(dòng)。就好比稀薄的鋁箔比起厚實(shí)的鋁材料可以很容易彎曲且不會(huì)斷裂。

　　2008年，崔屹提出用納米級(jí)硅線作為硅負(fù)極，這樣可以減緩導(dǎo)致體相硅負(fù)極瓦解的壓力和應(yīng)力。這條思路果然奏效，他和同事將研究成果發(fā)表在Nature Nanotechnology，展示了鋰離子經(jīng)硅納米線流入流出后，納米線幾乎沒(méi)有遭到破壞。甚至在經(jīng)過(guò)10輪充放電循環(huán)后，負(fù)極仍具有75%的理論儲(chǔ)能量。

　　遺憾的是，硅納米線比體相硅難以制備，也更為昂貴。于是崔屹與同事開(kāi)始研究成本更低的硅負(fù)極材料。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。盡管這樣可能更便宜，但也引來(lái)了第二個(gè)問(wèn)題：隨著鋰原子的出入，納米顆粒的收縮和膨脹會(huì)使粘合用的膠水開(kāi)裂。液體電解質(zhì)會(huì)在顆粒間滲透，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在硅納米顆粒表面形成一個(gè)非導(dǎo)電層，即固體電解質(zhì)相界面膜 （solid-electrolyte interphase， SEI）。這層膜越積越厚，最終會(huì)破壞負(fù)極的電荷收集能力。崔屹的學(xué)生這樣形容：“這就像是疤痕組織一樣?！?/p>

　　幾年后，崔屹團(tuán)隊(duì)又嘗試了另一種納米技術(shù)。他們創(chuàng)造了蛋形納米粒子，將其包裹在微小的硅納米粒子 （即“蛋黃”） 周?chē)@種高傳導(dǎo)性的碳外殼可以使鋰離子自由地通過(guò)。碳?xì)そo硅原子提供了足夠的空間進(jìn)行膨脹和收縮，同時(shí)保護(hù)它們免受電解質(zhì)形成SEI層的困擾。2012年發(fā)表在Nano Letters上的文章顯示，在經(jīng)過(guò)1000次充放電循環(huán)后，崔屹團(tuán)隊(duì)這種蛋黃殼式 （yolk-shell） 電極仍具有74%的儲(chǔ)電能力。

　　兩年之后，他們有了進(jìn)一步突破，這些蛋黃殼式的納米顆粒被組裝成微米級(jí)結(jié)構(gòu)，宛如一個(gè)微型石榴。這種新的硅納米球體提高了負(fù)極的鋰含量，也減少了電解質(zhì)中的副反應(yīng)。2014年2月，崔屹在Nature Nanotechnology發(fā)表了新的進(jìn)展，他們的新材料在經(jīng)過(guò)1000次充放電循環(huán)后，電池容量仍保持在97%。

　　今年早些時(shí)候，崔屹團(tuán)隊(duì)公布了一個(gè)更加優(yōu)秀的方案。他們將體相硅材料敲打至微米級(jí)別，然后以石墨烯碳層包裹。制成的硅顆粒比之前的“石榴”更大，這種體積盡管在充放電后更容易瓦解，但石墨烯的包裹能夠阻止電解質(zhì)接觸到硅材料。同時(shí)，這很容易保持破碎顆粒的接觸，使其輕松將電荷傳遞到金屬導(dǎo)線。相關(guān)成果已發(fā)表在Nature Energy上，這種硅顆粒填充量更大，單位體積下動(dòng)力更強(qiáng)，重要的是其成本也更為低廉。

　　劉俊表示：“他這次的工作真的找對(duì)了方向?！?/p>

　　在這一技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，Amprius公司已經(jīng)籌集了1億美元，進(jìn)行硅負(fù)極鋰離子電池的商業(yè)開(kāi)發(fā)。這種電池成本更低，容量比傳統(tǒng)鋰離子電池高10%。目前他們已在國(guó)內(nèi)建廠生產(chǎn)手機(jī)電池，銷(xiāo)售量已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)件。

　　電池的未來(lái)

　　除了生產(chǎn)新電池外，崔屹還提到了儲(chǔ)能提高40%的原型。用他的話說(shuō)，這只是未來(lái)優(yōu)秀硅負(fù)極電池的開(kāi)始。

　　現(xiàn)在，他的注意力已經(jīng)超越了硅材料。其中一個(gè)想法就是純金屬鋰的負(fù)極，這一直被視為終極的負(fù)極材料，因?yàn)樗裙璨牧夏艽鎯?chǔ)更多的能量，質(zhì)量也更輕。

　　不過(guò)，金屬鋰負(fù)極也面臨著難題。首先，SEI層通常會(huì)在鋰電極周?chē)纬?，這是個(gè)好消息，因?yàn)殇囯x子可以穿過(guò)這層物質(zhì)，所以SEI層也就充當(dāng)了鋰電極的保護(hù)層。但問(wèn)題在于，隨著電池充放電循環(huán)，金屬鋰也像硅顆粒那樣膨脹收縮，這種行為會(huì)打破SEI保護(hù)層。鋰離子會(huì)在斷裂處積聚，形成金屬“樹(shù)突”，在電極中逐漸成長(zhǎng)。最終，會(huì)刺破電池隔板，使電池短路并起火。

　　傳統(tǒng)途徑尚不能解決這個(gè)問(wèn)題。但納米技術(shù)或許能帶來(lái)辦法。在嘗試阻止金屬枝晶形成的時(shí)候，崔屹團(tuán)隊(duì)通過(guò)給負(fù)極加裝相互連接的納米碳球來(lái)穩(wěn)定SEI層；另一種方法則在更大的蛋黃殼中，通過(guò)金納米顆粒吸收鋰離子，蛋殼則為鋰的膨脹和收縮提供了空間，從而保護(hù)了SEI層，金屬枝晶也不會(huì)形成。

　　改進(jìn)負(fù)極只是這場(chǎng)電池大戰(zhàn)中的一半。崔屹團(tuán)隊(duì)同時(shí)還利用相似的納米技術(shù)來(lái)改進(jìn)正極材料，特別是硫材料。就像硅之于負(fù)極，硫長(zhǎng)久以來(lái)也被視為正極材料的不二之選。每個(gè)硫原子可以結(jié)合兩個(gè)鋰離子，理論上這使正極的儲(chǔ)能量翻了幾倍。同樣重要的是，硫材料實(shí)在是便宜。問(wèn)題在于，硫的導(dǎo)電能力一般，而且會(huì)和電解質(zhì)反應(yīng)生成危害電池的副產(chǎn)物，可能幾次充放電后電池就作廢了。另外，在放電過(guò)程中，硫正極傾向于囤積電荷，而不是釋放它們。

　　在尋求納米解決方案的時(shí)候，崔屹團(tuán)隊(duì)用高導(dǎo)電性的二氧化鈦外殼將硫粒子包裹，這使其電池容量較傳統(tǒng)電池提高了5倍，同時(shí)防止有害于電池的副產(chǎn)物形成。研究人員還制作了硫基版本的“石榴”，并將硫固定在又長(zhǎng)又細(xì)的納米纖維中。這些革新不僅提升了電池容量，還將庫(kù)倫效率 （電池放電性能） 從86%提高到99%。

　　崔屹說(shuō)：“現(xiàn)在我們?cè)陔姵貎蓸O都擁有了高性能的材料?！彼Ｍ麑?lái)把這兩種創(chuàng)新融合到一處，將硅負(fù)極和硫正極結(jié)合。如果成功，那一定能制造出高容量，低成本，足以改變世界的產(chǎn)品。