Science评崔屹电池纳米技术改变世界

1、How to build a better battery through nanotechnology Science 评崔屹：电池纳米技术改变世界！电脑芯片 -硅谷的原始创新，几十年来呈指数级飞跃发展。相比之下，电池 技术的发展就显得非常滞后。 十年以来， 市场上最好的锂离子电池能量密度翻了 一倍，目前最好的锂离子电池能量密度大约 700 Wh L-1，比20实际80年代的 Ni-Cr 电池提高了 5 倍，这个水平不差，但是没有什么突破性的进展。电池使用者的需求日益增加！ 据市场调研公司的报告称， 仅仅是锂离子电池 的市场到 2020 年就将达到 300 亿美元。其中一部分来自于电动汽车制

2、造商，譬 如特斯拉、通用汽车和日产等。以特斯拉S型车为例，其70-90 kWh电池重600kg,价格约3万美元，这种 汽车的价格超过 10 万美元，而一次续航只有 400 公里，大大低于普通汽车。日 产的Leaf型车比较便宜，价格约2.9万美元，但是其电池很小，续航仅有特斯拉 的 1/3。提高电池技术将产生重大影响。 电池能量密度提高一倍， 可以在保持续航能 力的条件下将价格和电池尺寸减半， 或者在保证电池尺寸的条件下， 使续航能力 翻倍。，崔毅认为： “电动汽车的时代已经来临，但是，我们需要做得更好！ ”世界各大公司，诸如松下、三星、LG、苹果以及特斯拉等都致力于电池的 微型化、轻量化以及更

3、加动力化。在这些强劲的选手中，崔屹，一直是一股先锋 力量。崔屹，斯坦福大学材料科学家， 6 年前创立 Amprius 电池公司。和其他公司 致力于调整电池电极或者电解质的化学成分不一样的是， 崔屹致力于将电池和纳 米技术结合。他正在构筑一系列复杂结构的电池电极，比标准电极可以更大量、 更迅速的吸收和释放带电离子，而且不会产生不希望得到的副产物。目前他正在探索的纳米构筑电极方法主要包括：硅纳米线和纳米 yolk-shell 结构。经过一系列的实验研究， 崔屹向大家展示了他如何利用纳米技术来解决电 池化学中长期存在并阻碍科技发展的重难点问题：1）利用Si取代标准石墨，作为锂离子电池负极材料； 2）

4、利用金属锂作为负极材料； 3）基于 Li-S 化学的电 池，将比任何锂离子电池更强大。崔屹说，当他开始从事研究时，就致力于 “改变世界，同时变得富裕，但是以改 变世界为主 ”。崔屹的团队还在孵化一些创业公司，旨在利用纳米技术创新来提 供更便宜、更高效的空气和水净化系统。尽管如此，电池还是他的主战场！ 在科研生涯的早期，崔屹就意识到了这种需求。 1998 年本科毕业之后，崔 屹赴哈佛拿到了 PhD 学位，然后在伯克利进行博后研究。这期间，他在实验室 从事最前沿的纳米材料的合成工作。 当时还处于纳米技术的早期， 研究人员还致 力于控制合成希望得到的纳米材料，纳米技术的应用还处于雏形阶段。在伯克利的

5、时候，受到劳伦斯伯克利国家实验室主任 Steven Chu 的启发， 崔屹开始接触之前从没有接触过的电池领域。 Chu 认为，纳米技术为清洁能源提 供了一个崭新， 而又重要的旋钮。 研究人员不仅可以在最小的尺度上控制材料的 化学成分， 还可以控制材料内部原子的排列， 从而真正明白所发生的化学反应是 如何进行的！加入斯坦福之后， 崔屹就致力于将纳米技术和电池电化学紧密结合， 开发了 一系列新型的电池纳米技术。硅纳米线取代石墨负极 石墨是目前最优的负极材料， 其高导电性， 使电子可以很容易传递到电路的 金属导线中。 但是石墨在放电过程中收集锂离子的能力马马虎虎， 需要六个碳原 子来结合一个锂离子，

6、 这种缺陷限制了电极所承载的锂含量， 从而限制了电池所 能储存的能量。在这方面，硅就可以做得更好！每个 Si 原子都可以和 4 个锂离子结合，理 论上来说，硅基负极材料比石墨负极材料可以存储多 10 倍的能量，这是电化学 家们几十年来苦苦追寻都没有实现的目标。利用块状的Si来制备负极材料是很容易的，其问题在于，这种 Si基材料稳 定性较差。当电池充电时，锂离子嵌入负极，和硅原子结合，负极材料膨胀3倍。放电时，锂离子脱离，负极材料就迅速收缩。几个循环之后，硅电极就发生 破碎，直到土崩瓦解成小碎片，电池也就失效了。崔屹认为， 它能够解决这个问题。 哈佛和伯克利的研究工作教会了他， 体相 材料到纳米

7、尺度之后常常会表现出完全不一样的性质。 首先，纳米材料表面原子 占所有原子数的比例更大， 表面原子不受相邻原子的影响， 在应力和压力的作用 下可以更容易移动。2008 年，崔屹发明了一种硅纳米线负极，有效减缓了压力和应力作用，彻 底击败了体相硅负极材料。 当锂离子在硅纳米线中嵌入和脱离时， 硅纳米线受到 的损伤非常小，经过 10 次循环，这种负极材料还可以保持其理论储能容量的 75%。不幸的是，和体相硅材料相比，硅纳米线更贵，也更不容易获得。于是，崔 屹及其合作者开始寻找更便宜的硅负极纳米技术。 首先，他们利用球形硅纳米颗 粒来制备锂离子电池负极。虽然从理论上来说，这种材料更加便宜，但是，第二

8、 个问题又来了：锂离子嵌入和脱离造成的膨胀和收缩使得粘结 Si 纳米颗粒的胶 水开裂，液体电解质渗透到纳米颗粒之间，产生化学反应，并在 Si 纳米颗粒表 面包裹上一层非导电物质，称之为固体电解质相界面膜( SEI)。这层SEI膜慢 慢变厚，最终破坏了负极的电荷收集能力。Yolk-Shell 纳米结构新型负极几年之后，崔屹及其合作者转向另一项纳米技术解决方案：蛋黄结构(yolk-shell)纳米颗粒。将硅纳米颗粒包裹在高导电的空心碳壳之中，锂离子可 以在碳壳中自由进出。空心壳层为内部硅原子的膨胀和收缩提供了足够的空间， 同时又保护他们不受电解质的干扰，这种负极材料在 1000 次充放电循环之后，

9、 容量可保持 74%。2 年之后，他们将这种 yolk-shell 结构的纳米颗粒组装到微米尺度，像一个 微型石榴。 将硅纳米颗粒聚成一团的好处就是， 增大了负极储存锂和储存能量的 能力，并减少了电解液造成的副反应， 1000次充放电循环之后， 容量可保持 97%。今年年初，崔屹及其合作者又报道了一种比他们复杂的石榴型负极更加优越 的新策略。 他们直接将体相的硅颗粒敲碎到微米尺度， 然后将它们包裹在石墨烯 材料中。虽然这种微米的硅颗粒更容易破碎， 但是石墨烯的包裹不仅防止电解液 的接触，还可以维持和破碎的颗粒的接触， 继续传递电荷到金属导线。 更重要的 是，这种微米的硅颗粒可以填充包装得更加紧

10、密， 从而具有更强的动力。 而且更 加便宜和容易生产。金属锂负极现在，崔屹又开始探索硅之外的体系， 其中一个重点就是用金属锂来制备负极。金属锂一直以来被认为是最优秀的负极材料， 可储存比硅更多的能量， 而且更轻金属锂作为负极材料的一个首要问题在于： SEI 非导电层的包裹。好消息是， 锂离子可以穿透这层材料， 因而 SEI 层可以作为保护层。 不幸的是：和硅纳米颗 粒一样，在膨胀和收缩过程中，容易破坏 SEI 层，产生裂缝。锂离子在裂缝中堆 积，产生金属枝状物，在电解液中生长，以至于刺破电池分离器，使电池短路， 造成起火。常规方法没有解决这个问题， 但是纳米技术可以。 防止枝晶的一个办法就是，

11、 在负极表面包裹一层碳纳米球作为中间层，来稳定SEI层。另一个办法就是，利用更大的碳壳包裹的 Au 纳米颗粒作为负极， Au 可以结合锂离子，而碳壳为锂 的膨胀和还收缩提供空间，从而不会破坏 SEI 层，防止枝晶的形成。硫正极 提高负极效果仅仅是提升电池性能的一半。 崔屹还采用类似的纳米技术用于 提高以 S 为主的正极材料的性能。 和硅在负极中一样， S 也一直被视作正极材料 的潜力股。每个S原子可以结合2个锂离子，使得其理论储能能力比常规锂离子 电池高好几倍。同样重要的是，S非常便宜。其问题在于：S的导电性一般，而 且容易和电解液发生反应， 充放电几个循环之后， 副产物就会使电池失效。 放电

12、 过程中，S正极也倾向于储存电荷，而不是释放它们。为了寻找纳米解决方案， 崔屹团队将 S 颗粒包裹在高导电性的 TiO 2空心壳 层中，使得电池容量比常规锂离子电池提高了 5倍，并有效防止了 S的副产物对 电池的毒化。同时，他们还制备了石榴型的 S基正极材料，或者将S嵌入纳米 纤维中。这些技术不仅大大提高了电池容量，还将库伦效率（电池放电性能）从 86%提高到 99%。Amprius 公司已经投入超过 1 亿美元用于硅负极锂离子电池的商业化。 公司 已经在中国制造手机电池， 并售出 1 百万套。 基于简单硅纳米颗粒电极的手机电 池，比目前市场中最好的商业锂离子电池可多储 10%的能量，另一个基于硅纳米 线的雏形产品可多存储 40%的能量，而实验室正在研发的产品具有更优越的性 能。这还只是基于硅纳米技术负极的锂离子电池的开始。至今为止， Amprius 公司尚未开始制造电动车电池，但是一旦崔屹正在研发 的技术成功实现，他们将制造出比目前最佳性能储能多达 10 倍的电动车电池。这将在汽车领域带来革命性的突破，极大地降低碳排放。崔屹说，接下来他打算融合所有这些关键的纳米技术创新成果，将硅负极和硫正极整合成全电池，希望能开发出更便宜、更高容量的电池，改变整个世界的 供能方式。这将帮助他改变世界