华人科学家崔屹如何通过纳米技术制造更好的电池（一）

长弓有心 2017-03-12

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崔屹（Yi Cui）采用纳米技术控制电池内部化学反应进行的方式

如何通过纳米技术制造更好的电池（一）

海豆芽译原载Science网2016.5.26科学新闻栏目原作者Robert F. Service

今年4月，一个阴暗的细雨蒙蒙的早晨，崔屹开着猩红色特斯拉跑车，在美国硅谷的车流中迂回前行。崔屹，是这儿斯坦福大学的材料学家，正要前去安普瑞斯公司，那是他6年前创立的一家电池公司。并非巧合的是，他驾驶着一辆电池驱动的汽车，而车是他租的却不是购买的。崔屹说，几年之内，他打算以关键性的改进而升级到一种新模式，“希望我们的电池将安装在车里面。”

崔屹和安普瑞斯公司正在努力将锂离子电池（如今最好的商用技术）提升到新的水平。他们有许多同行，诸如松下、三星、LG化学、苹果、以及特斯拉之类的大公司，都在竞相使电池更小、更轻、功率更强大。不过，在这些势力强大的竞争者中，崔屹握有一种开创性的魄力。

有别于其他集中关注对电池的电极或导电电解质化学成分稍作调整的同行，崔屹正在将电池化学同纳米技术结合起来。他正在构建结构复杂的电池电极，和标准电极相比，这些电极能吸收和释放的带电离子数量更大、速度更快，且不产生令人讨厌的副反应。“他正在采用纳米技术的新方法并利用其控制化学过程，”马里兰大学帕克分校的材料学家和电池专家罗魏（Wei Luo）说。

我想改变世界，也想发财，但主要是想改变世界。

——崔屹斯坦福大学

在一系列实验演示中，崔屹曾经展示了他的电极架构方法能够如何驾驭大量长期以来使研究人员干着急却依然有问题的电池化学反应。其中，有以硅电极代替标准石墨的锂离子电池，也有用一种裸体锂金属作电极的电池，以及依赖锂硫化学反应的电池，这些都可能比任何锂离子电池功率更强大。他在探索的纳米级的架构包括在吸收和释放锂离子时伸展和收缩的硅纳米丝，以及以碳壳保护的富锂硅蛋黄的微小蛋样结构。

安普瑞斯公司已经把硅电极应用到手机电池中，这种电池比市场上最传统的锂离子电池多储存10%的电能。另一种原型达到40%而打败了标准电池，而更好的电池正在研发之中。迄今为止，该公司并没有制造电动汽车（EVs）用的电池，但崔屹探索的技术不辜负他们的诺言，公司总有一天会提供能贮存目前顶尖生产商10倍以上能量的小汽车电池。那将使最高价格的电动汽车有像天然气驱动模式一样的行程，那是一种革命性的进步，会有助于各国的电网，其车队以太阳能和风能提供电力，大大地减少碳排放。

崔屹说，当他开始研究时，“我想改变世界，也想发财，但主要是想改变世界。”他的追求在电池之外，他的实验室在探索纳米技术创新，孵化旨在提供更便宜、更有效的空气和水净化系统的创业公司。但迄今为止，崔屹已经在电池上刻下了他最清晰的印记。罗魏称他的方法为“非传统而令人惊奇的”。刘军（Jun Liu）是华盛顿里奇兰的太平洋西北国家实验室的材料科学家，他更加直截了当：崔屹的纳米科技对电池技术的贡献是“极大的”。

在电池技术上取得飞跃非常难以作到。正当几十年来硅谷的原始创新即电脑芯片取得指数级性能收获时，电池落后了。目前最好的锂离子电池每公升大约存有700瓦小时，大约是80年代中期镍镉电池能量密度的5倍，这不错了，但并不激动人心。在过去的十年中，最好的商用电池的能量密度提高了二倍。

电池用户要的是更好的电池。根据透明市场研究所和太约研究所（Taiyou Research）等市场研究公司最近的二份报告，预计到2020年，单是锂离子电池市场就将高达每年300亿美元。包括特拉斯、通用汽车、和尼桑在内的小汽车公司电动汽车产量的提升占了部分激增量。

但是，目前的电动汽车还有许多有待改进之处。对特拉斯的S型而言，根据精确的模型，仅70到90千瓦时的电池就重达600公斤，占了汽车价格的大约3万美元，汽车价格可能超过10万美元。然而一次充电，电池能够使汽车行行驶约400公里，大大低于许多传统小汽车的续航范围。尼桑的Leaf型要便宜得多，标价大约2.9万美元，但是电池包较小，其续航范围只有特拉斯的三分之一。

改进电池可以取得重大效果，使电池的能量密度翻倍，能够使汽车公司在把电池的大小和成本减半的同时保持同样的行驶里程。“电动汽车的时代来了，”崔屹说，但为了使电动汽车盛行起来，“我们必须作得更好。”

他在其职业生涯的早期就已意识到了这种需求。1998年他在其祖国中国大学毕业后，崔屹首先到了哈佛大学，然后去了加利福尼亚大学贝克利分校在实验室完成了博士学位和博士后研究，那些实验室正在首创纳米材料的合成。那些日子是纳米技术的早期，当时研究人员在为获得一种如何生成他们想要的材料的可靠方法而努力，而且世界上纳米技术的应用还正在开始起步。

在加州大学贝克利分校的时候，崔屹在劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）花时间旁听旁观同事。那时，LBNL实验室的主任是朱棣文（Steven Chu），他推动该实验室发明了有可能应对气候变化的可再生能源技术，其中他们有更好的电池来贮存清洁能源。（崔屹后来于2009至2013年作了布拉克·奥巴马总统的能源秘书。）

“开始的时候，我并没有考虑到能源。我从来没有接触过电池，”崔屹说。但朱棣文和其它人对他留下了深刻印象，纳米技术可能为电池提供优势。正如朱棣文如今所说，提供“一个开门的新的门把手，而且是重要的一个，”能够使研究人员不仅在最小尺寸上控制材料的化学成分，还控制其内部原子的排列，也就是说涉及材料的化学反应是如何进行的。

到斯坦福大学之后，崔屹迅速被纳米技术和使电源工作的电化学之间的联系，以及它们局限性的细节所吸引。挑选的是锂离子可再充电电池。原理上，这些电池是简单的：由一张薄膜“分离器”分隔二个电极和一种液体电解液组成，离子在电极之间来回滑动。当电池充电时，锂离子从正极或者阳极中释放，电极由锂合金组成，通常是锂钴氧化物或者锂铁磷酸盐。锂离子被吸向带负电荷的通常由石墨制成的电极（叫阴极）。离子紧紧依附在石墨片的碳原子之间。外部电源的电压驱使全部离子大量迁移而贮存电力。

当一种装置（或者说一种电动工具或一种汽车）起动和需要能源时，电池放电：石墨中的锂原子释放电子，通过外部电路回到阳极。同时，锂离子从石墨中溜出，快速通过电解液和分隔器到达阳极，在那里遇上完成了电路旅行的电子（请参看下面图表）。