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崔屹的納米電池,即將改變世界

2016-05-30 07:47 性質:轉載 作者:知社學術圈 來源:知社學術圈
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一個細雨綿綿的四月清晨,崔屹開著他的紅色電動特斯拉前往硅谷。身為斯坦福大學的材料學家,他在六年前創(chuàng)立了Amprius電池公司。未來幾...

  一個細雨綿綿的四月清晨,崔屹開著他的紅色電動特斯拉前往硅谷。身為斯坦福大學的材料學家,他在六年前創(chuàng)立了Amprius電池公司。未來幾年里,他們將進行足以改變世界的關鍵性革新:“希望我們的電池能夠用在這車里?!?/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、蘋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,崔屹仍然保持著強勁的勢頭。

  電池行業(yè)中,很多人都在關注電極或者電解質的化學成分,而崔屹另辟蹊徑,將電池化學和納米技術結合到了一起。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,同時不會引起不利的副反應。

  馬里蘭大學的材料和電池專家羅巍這樣評價:“他 (崔屹) 正在利用納米技術的革新來操控化學?!?/P>

  電池的市場

  在一系列演示實驗中,崔屹展示出其特有架構的電極能夠“主宰”電池的化學反應。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,這在膨脹和收縮時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?!暗包S”。

  Amprius公司已經開始供應配備硅電極的手機電池,這比市場上最好的傳統(tǒng)鋰離子電池儲能多出10%。另一款正在開發(fā)中的原型產品更為優(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汽車提供電池。如果崔屹正在研發(fā)的技術有朝一日能夠獲得成功,那么他們制造的汽車電池將比現(xiàn)在頂尖產品性能高出10倍。這將為汽車行業(yè)帶來一次革命,因為價格低廉的電動汽車將能夠行駛和傳統(tǒng)耗油汽車一樣的距離,從而大幅度降低全球碳排放。

  崔屹說,當他剛開始從事研究時,想要“改變世界,同時變得富裕,但主要還是改變世界”。他們的主要目標還是電池行業(yè),不過也在探索納米新技術,孵化創(chuàng)業(yè)公司,以提供更廉價、更高效的空氣和水凈化系統(tǒng)。羅巍認為他走的是一條“不尋?!敝?,西北太平洋國家實驗室材料學家劉俊的評價則更為直截了當:崔屹的納米技術對于電池的貢獻是“巨大的”。

  幾十年來,硅谷電腦芯片的性能已經獲得了指數(shù)級的提升,相比之下,電池技術想要大步邁進則困難得多。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。

  然而用戶的需求沒有止境,預計到2020年,鋰離子電池的市場份額可達到300億美元。其中電動車電池的比例將有所增加,相關企業(yè)包括特斯拉、通用汽車和日產等等。

  今天的電動車具有很大的發(fā)展空間。以特斯拉Model s為例,其70-90千瓦時的電池重達600公斤。十來萬美元的一臺車,這樣一塊電池的價格就占3萬美元。而一次充電,只能續(xù)航400公里,遠遠比不上傳統(tǒng)汽車。日產Leaf作為入門級小型電動車則便宜很多,整車約2.9萬美元。但是其電池組較小,續(xù)航只有特斯拉的1/3。

  電池技術的革新將帶來重要的影響。假如電池能量密度提高一倍,汽車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:“電動汽車的時代就要來臨,”為了完成這一過渡,“我們必須做得更好!”

  從無到有

  很早以前,崔屹就意識到了這一趨勢。1998年從中國科學技術大學本科畢業(yè)后,他來到美國,在哈佛大學取得博士學位,后到加州伯克利大學從事博士后研究。期間,他在實驗室從事最前沿的納米材料的合成工作。當時還處于納米技術發(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,納米技術的應用才剛剛起步。

  “最開始,我并沒有去琢磨能量,我從來沒有做過電池方面的研究,” 崔屹講道。在勞倫斯伯克利國家實驗室主任Steven Chu的啟發(fā)下,崔屹走上了新的道路。在Steven Chu看來,納米技術為電池領域帶來了一個“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成分,還能控制材料中原子的排布,進而掌握其中所進行的化學反應。

  來到斯坦福后,崔屹很快將納米技術和電池的電化學結合起來,開始研究它們的實際應用。

  研究團隊曾嘗試了多種納米相關技術,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(xiàn)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中。但是在放電過程中,石墨收集鋰離子的能力則說不上優(yōu)秀?!案愣ā币粋€鋰離子需要六個碳原子。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。每個硅原子能夠“綁住”四個鋰離子。也就是說硅基負極所存儲的能量是石墨材料的10倍之多。幾十年來,電化學家一直在為此目標而不懈努力。

  利用硅材料制造負極很簡單,問題在于這種負極無法穩(wěn)定存在。在充電過程中,鋰離子涌入并與硅原子結合,負極材料將膨脹三倍;而在放電過程中,鋰離子流出,負極材料又迅速萎縮。經過幾次這樣的折磨,硅電極會斷裂并最終瓦解為細小的顆粒。負極,或者說整個電池就這么完蛋了。

  崔屹認為他能夠解決這一問題。哈佛大學和加州伯克利的經歷讓他明白,體相材料的屬性在納米尺度下常常會發(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可以自如地移動。就好比稀薄的鋁箔比起厚實的鋁材料可以很容易彎曲且不會斷裂。

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