雷鋒網(wǎng)按：本文作者Robert Service，來(lái)自知社學(xué)術(shù)圈。
一個(gè)細雨綿綿的四月清晨，崔屹開(kāi)著(zhù)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)里。”
 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。盡管強者如云，崔屹仍然保持著(zhù)強勁的勢頭。
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)結合到了一起。目前他在創(chuàng )造結構復雜的的電池電極，與標準電極相比，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。
馬里蘭大學(xué)的材料和電池專(zhuān)家羅巍這樣評價(jià)：“他 (崔屹) 正在利用納米技術(shù)的革新來(lái)操控化學(xué)。”
電池的市場(chǎng)
在一系列演示實(shí)驗中，崔屹展示出其特有架構的電極能夠“主宰”電池的化學(xué)反應。其中鋰離子電池電極中的標準石墨由硅取代；采用裸金屬鋰作為電極材料；在鋰-硫化學(xué)基礎上，將提供比鋰離子電池更為強大的能量。他正在探索的納米架構包括硅制納米線(xiàn)，這在膨脹和收縮時(shí)能夠相應地吸收和釋放鋰離子，其微小的蛋形結構具有碳殼，可保護其中富含鋰離子的硅顆粒“蛋黃”。
 Amprius公司已經(jīng)開(kāi)始供應配備硅電極的手機電池，這比市場(chǎng)上最好的傳統鋰離子電池儲能多出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，因為價(jià)格低廉的電動(dòng)汽車(chē)將能夠行駛和傳統耗油汽車(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。羅巍認為他走的是一條“不尋常”之路，西北太平洋國家實(shí)驗室材料學(xué)家劉俊的評價(jià)則更為直截了當：崔屹的納米技術(shù)對于電池的貢獻是“巨大的”。
幾十年來(lái)，硅谷電腦芯片的性能已經(jīng)獲得了指數級的提升，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80年代鎳-鎘電池的五倍。這成績(jì)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(hù)的需求沒(méi)有止境，預計到2020年，鋰離子電池的市場(chǎng)份額可達到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600公斤。十來(lái)萬(wàn)美元的一臺車(chē)，這樣一塊電池的價(jià)格就占3萬(wàn)美元。而一次充電，只能續航400公里，遠遠比不上傳統汽車(chē)。日產(chǎn)Leaf作為入門(mén)級小型電動(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(chǎng)商就可以在保持續航不變的情況下，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
“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。在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室主任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。
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)結合起來(lái)，開(kāi)始研究它們的實(shí)際應用。研究團隊曾嘗試了多種納米相關(guān)技術(shù)，以防止硅制負極的瓦解，防止致命的副反應發(fā)生。
 石墨可謂現今最理想的負極材料，其高導電性可以輕松地將電子傳遞到電路金屬導線(xiàn)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)硅基負極所存儲的能量是石墨材料的10倍之多。幾十年來(lái)，電化學(xué)家一直在為此目標而不懈努力。
利用硅材料制造負極很簡(jiǎn)單，問(wèn)題在于這種負極無(wú)法穩定存在。在充電過(guò)程中，鋰離子涌入并與硅原子結合，負極材料將膨脹三倍；而在放電過(guò)程中，鋰離子流出，負極材料又迅速萎縮。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小的顆粒。負極，或者說(shuō)整個(gè)電池就這么完蛋了。
崔屹認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部更高。同時(shí)表面原子所受相鄰原子的束縛更小，它們在受到壓力和應力時(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，崔屹提出用納米級硅線(xiàn)作為硅負極，這樣可以減緩導致體相硅負極瓦解的壓力和應力。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(xiàn)流入流出后，納米線(xiàn)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，負極仍具有75%的理論儲能量。
 遺憾的是，硅納米線(xiàn)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(zhù)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，在硅納米顆粒表面形成一個(gè)非導電層，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。”
幾年后，崔屹團隊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)?，這種高傳導性的碳外殼可以使鋰離子自由地通過(guò)。碳殼給硅原子提供了足夠的空間進(jìn)行膨脹和收縮，同時(shí)保護它們免受電解質(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，崔屹團隊這種蛋黃殼式 (yolk-shell) 電極仍具有74%的儲電能力。
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結構，宛如一個(gè)微型石榴。這種新的硅納米球體提高了負極的鋰含量，也減少了電解質(zhì)中的副反應。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，崔屹團隊公布了一個(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線(xiàn)。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，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了方向。”在這一技術(shù)的驅動(dòng)下，Amprius公司已經(jīng)籌集了1億美元，進(jìn)行硅負極鋰離子電池的商業(yè)開(kāi)發(fā)。這種電池成本更低，容量比傳統鋰離子電池高10%。目前他們已在國內建廠(chǎng)生產(chǎn)手機電池，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，崔屹還提到了儲能提高40%的原型。用他的話(huà)說(shuō)，這只是未來(lái)優(yōu)秀硅負極電池的開(kāi)始。
現在，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極，這一直被視為終極的負極材料，因為它比硅材料能存儲更多的能量，質(zhì)量也更輕。
不過(guò)，金屬鋰負極也面臨著(zhù)難題。首先，SEI層通常會(huì )在鋰電極周?chē)纬?，這是個(gè)好消息，因為鋰離子可以穿過(guò)這層物質(zhì)，所以SEI層也就充當了鋰電極的保護層。但問(wèn)題在于，隨著(zhù)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(cháng)。最終，會(huì )刺破電池隔板，使電池短路并起火。
傳統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，崔屹團隊通過(guò)給負極加裝相互連接的納米碳球來(lái)穩定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，從而保護了SEI層，金屬枝晶也不會(huì )形成。
改進(jìn)負極只是這場(chǎng)電池大戰中的一半。崔屹團隊同時(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。就像硅之于負極，硫長(cháng)久以來(lái)也被視為正極材料的不二之選。每個(gè)硫原子可以結合兩個(gè)鋰離子，理論上這使正極的儲能量翻了幾倍。同樣重要的是，硫材料實(shí)在是便宜。問(wèn)題在于，硫的導電能力一般，而且會(huì )和電解質(zhì)反應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，崔屹團隊用高導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(cháng)又細的納米纖維中。這些革新不僅提升了電池容量，還將庫倫效率 (電池放電性能) 從86%提高到99%。
崔屹說(shuō)：“現在我們在電池兩極都擁有了高性能的材料。”他希望將來(lái)把這兩種創(chuàng )新融合到一處，將硅負極和硫正極結合。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。
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