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随着他的电池公司运转并兴旺起来，崔屹打算发起创业把纳米技术应用到空气和水净化之中。 如何通过纳米技术制造更好的电池（二） 海豆芽译原载Science网2016.5.26科学新闻栏目 原作者 Robert F. Service 石墨是目前的首选阴极材料，因其具有高导电性因而很容易地把收集的电子传至电路的金属线。可是石墨在充电期间集聚锂离子时只是很平常，得有6个石墨中的碳原子来控制单个锂离子，这个弱点使电极所能控制的锂原子数量极限范围很小，因而电池贮存的电量受限。 硅的潜力要好得多，每个硅原子能够束缚4个离子，理论上这意味着硅基阴极能够贮存石墨制作阴极所能贮存能量的10倍。电化学家们徒劳无功地花费了几十年努力开发这种巨大的潜能。 用硅块制作阴极非常容易，问题是这种阴极不持久耐用。当电池充电而且锂离子飞速进入电极绑定到硅原子时，阴极材料膨胀几乎达300%。然后，在电池放电时段期间锂离子涌出时，阴极迅速收缩还原。在仅仅几个这样的周期折腾之后，硅电极破裂并最终分裂成极细的绝缘颗粒。阴极（和电池）崩溃而报废。 崔屹认为他能够解决这个问题。他在哈佛和加州大学伯克利分校的实验曾经告诉他，纳米材料表现得常常与块状材料不同。首先，纳米材料表面其原子的百分比相对于其内部的数量要高得多。而且因为锁定表面原子的相邻原子更少，更容易运移以响应压力和应力。其它类型的原子运动解释了为什么极薄的铝泊片或纸张能够比金属铝块或木头容易弯曲得多而不会破裂。
2008年，崔屹认为，用纳米硅线制作硅阴极可以减小使块状硅阴极粉碎的压力和应力。这种策略见效了。在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）的一篇论文中，崔屹和他的同事展示了当锂离子移进移出硅纳米线时，纳米线遭受很小的损害。甚至在反复充电和放电10个周围之后，阴极的理论能量贮存能力仍保留有75%。
可惜，硅纳米线比起块状硅来难以制造且昂贵得多。崔屹和同事们开始设计制造更便宜的硅阴极的方法。首先，他们找到了一种用球形硅纳米粒子精妙地制作锂离子电池阴极的方法。虽然很可能更便宜，却面临第二个问题，即当锂原子从把纳米粒子约束在一起的胶粘物敞开的缝隙里移进移出时，纳米粒子的收缩和膨胀。液态电解液在颗粒之间参透，引起以绝缘层包裹纳米粒子的一种化学反应，也就是著名的固体电解质膜（solid electrolyte interphase, SEI），这种膜最终厚得足以中断阴极和电荷集聚能力。“那就像瘢痕组织，”崔屹实验室的研究生李玉璋（Yuzhang Li）说。
几年后，崔屹和同事们偶然发现了另一种纳米解决方案。他们发明了荷包蛋样的纳米粒子，用高导电性的碳壳包着他们的每一颗微小的硅纳米粒子（蛋黄），锂离子能够很容易地通过壳。这种壳有足够的空间来给蛋黄内的硅原子收缩和膨胀，同时保护着硅原子不受电解质之害，即免遭形成固体电解质膜的化学反应。在2012年《纳米通讯》（Nano Letters）的一篇论文中，崔屹的研究小组报告说，在1000次充电和放电周期之后，他们的蛋黄壳阴极仍有74%的能力。
2年后，他们甚至干得更好了。他们把蛋黄壳纳米粒子聚集成微型石榴似的微米级聚合物，聚集起来的硅球体提高了阴极的锂离子贮存能力，并减少了与电解液的不想要的副反应。《自然纳米技术》2014年2月号里，该团队报告说，基于新材料的电池在1000次充电和放电周期之后，保留了其原始能力的97%。
今年年初，崔屹和同事们又报告了一种甚至胜过其复杂石榴集合的解决方案。他们仅仅把大的硅粒子锤打成微米级，然后用石墨制成的碳膜包裹。锤打过的粒子缠绕得比石榴内的硅球大，大得足以在几次充电周期之后就破裂。不过石墨包装材料阻止了电解质化合物趋近硅，还柔韧得足以保持与破碎粒子的关系，因此把其电荷携带到金属电线。此外，该团队还在《自然能量》（Nature Energy）报告，较大的硅粒子把更大的质量（因此而有更大的功率）包裹进了给定的体积，而且比那种石榴更加便宜且容易制造得多。“他真的把这项研究带上了正确的方向，”刘军说。
受这种理念的驱动，安普瑞斯公司已经筹集了超过1亿美元的资金来使采用硅阴极的锂离子电池商业化。公司已经在中国制造手机电池，且已经销售了100万以上的电池，公司的技术主管韩松说（Song Han）。这种电池基于制造起来很便宜的单纯的硅纳米粒子，仅仅比目前的锂离子电池好10%。但在安普瑞斯公司的总部，韩松炫耀了优秀40%的纳米线硅原型电池。而且他说，那些仍然只是代表优秀硅阴极最终如何发展的开始。
现在，崔屹在着眼于硅之外。一个焦点是用纯锂金属制用阴极，这种金属长期以来被认为是终极阴极材料，因为它有可能比硅贮存更多的能量而且更加轻巧。
但是，这里也一直有些重要问题。首先，固体电解质膜通常在锂金属电极周围形成。那实际上在下面情况中是好消息：锂离子能够渗透这层膜，因此固体电解质膜起到锂阴极周围一层保护膜的作用。但是，当电池循环充电时，金属膨胀和收缩恰好像硅粒子一样，而且这种脉冲博动可能破坏固体电解质膜。然后锂离子可能在裂缝里堆积起来，导致产生一种被称为树突的金属钉在电极上萌发。“那些树突可能刺穿电池分隔器，使电池短路并引起电池着火，”崔屹团队里另一名研究生刘亚元（Yayuan Liu）说。
传统方法解决不了问题，但纳米技术也许可以。在一种防止树突形成的方法里，崔屹的团队通过把阴极涂一层互相连接的纳米碳球来稳定固体电解质膜。另一种方法中，他们创造了一种新型蛋黄壳粒子，把金纳米粒子放在大得多的碳壳内制成。当用这种纳米胶囊制成一个阴极时，金吸引锂离子，壳则为锂提供空间来收缩和膨胀，而不会使固体电解质膜破裂，从而不会形成树突。
改进阴极在努力制造好电池中只是作了一半。崔屹的团队还已经采用相似的纳米技术启发的方法来改进阳极材料，用的是特殊的硫。像阴极的硅差不多，硫长期以来被视为阳极的一个撩人选项。每个硫原子能够控制2个锂原子，使之在理论上可能在传统阳极材料的基础上提升几倍的贮存能量。硫真是太便宜了，这也许相当重要。但也有一个问题，硫是一种相对最好的电导体，而且与普通的电解质反应生成化学品，可以在充电放电几个循环之后使电池报废。硫阳极还在放电期间倾向于贮藏电荷而不是释放电荷。
在寻求纳米解决方案时，崔屹的团队把硫粒子包装在高导电性的二氧化钛壳里，电池容量在传统设计的基础上提升了5倍，且防止了硫的副产品毒害电池。研究人员还已经制造硫基版的石榴，且把硫圈闭在长面微小的纳米纤维内。这些方法和其它创新一起不仅提升了电池的容量，而且提高了称作库伦效率的量程（即电池释放电荷有多么好），从86%提高到了99%。“现在，我们在两边的电极上都有高容量，”崔屹说。
崔屹说，一段时间之后，他将把他的二种创新放到一起。通过让硅阴极和硫阳极配对，他希望制造出便宜的高容量电池，能够改变这个世界驱动其设备的方法。“我们认为，只要我们能够解决所有问题，就会产生一种大的影响，”崔屹说。
这也许恰好有助于他改变这个世界，同时得到财富。
（全文完）
英文原文地址：
http://www./news/2016/05/how-build-better-battery-through-nanotechnology
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