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(jié)合到了一起。目前他在創(chuàng)造結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)。

馬里蘭大學(xué)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(shù)的革新來操控化學(xué)。”

電池的市場

在一系列演示實驗中，崔屹展示出其特有架構(gòu)的電極能夠“主宰”電池的化學(xué)反應(yīng)。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(chǔ)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(gòu)包括硅制納米線，這在膨脹和收縮時能夠相應(yīng)地吸收和釋放鋰離子，其微小的蛋形結(jié)構(gòu)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)開始供應(yīng)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(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汽車提供電池。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電池將比現(xiàn)在頂尖產(chǎn)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(shù)，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“不尋常”之路，西北太平洋國家實驗室材料學(xué)家劉俊的評價則更為直截了當：崔屹的納米技術(shù)對于電池的貢獻是“巨大的”。

幾十年來，硅谷電腦芯片的性能已經(jīng)獲得了指數(shù)級的提升，相比之下，電池技術(shù)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(yù)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(guān)企業(yè)包括特斯拉、通用汽車和日產(chǎn)等等。

今天的電動車具有很大的發(fā)展空間。以特斯拉Models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(chǎn)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(shù)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(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)后，他來到美國，在哈佛大學(xué)取得博士學(xué)位，后到加州伯克利大學(xué)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(shù)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(shù)的應(yīng)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StevenChu的啟發(fā)下，崔屹走上了新的道路。在StevenChu看來，納米技術(shù)為電池領(lǐng)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(xué)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(xué)反應(yīng)。

來到斯坦福后，崔屹很快將納米技術(shù)和電池的電化學(xué)結(jié)合起來，開始研究它們的實際應(yīng)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(yīng)發(fā)生。

石墨可謂現(xiàn)今最理想的負極材料，其高導(dǎo)電性可以輕松地將電子傳遞到電路金屬導(dǎo)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。“搞定”一個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(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(jié)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(jīng)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(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發(fā)生變化。首先，納米材料表面的原子比例較其內(nèi)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(yīng)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。

2008年，崔屹提出用納米級硅線作為硅負極，這樣可以減緩導(dǎo)致體相硅負極瓦解的壓力和應(yīng)力。這條思路果然奏效，他和同事將研究成果發(fā)表在NatureNanotechnology，展示了鋰離子經(jīng)硅納米線流入流出后，納米線幾乎沒有遭到破壞。甚至在經(jīng)過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，硅納米線比體相硅難以制備，也更為昂貴。于是崔屹與同事開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制備鋰離子電池負極。盡管這樣可能更便宜，但也引來了第二個問題：隨著鋰原子的出入，納米顆粒的收縮和膨脹會使粘合用的膠水開裂。液體電解質(zhì)會在顆粒間滲透，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在硅納米顆粒表面形成一個非導(dǎo)電層，即固體電解質(zhì)相界面膜(solid-electrolyteinterphase,SEI)。這層膜越積越厚，最終會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”)周圍，這種高傳導(dǎo)性的碳外殼可以使鋰離子自由地通過。碳殼給硅原子提供了足夠的空間進行膨脹和收縮，同時保護它們免受電解質(zhì)形成SEI層的困擾。2012年發(fā)表在NanoLetters上的文章顯示，在經(jīng)過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，他們有了進一步突破，這些蛋黃殼式的納米顆粒被組裝成微米級結(jié)構(gòu)，宛如一個微型石榴。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(yīng)。2014年2月，崔屹在NatureNanotechnology發(fā)表了新的進展，他們的新材料在經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，電池容量仍保持在97%。

今年早些時候，崔屹團隊公布了一個更加優(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，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(dǎo)線。相關(guān)成果已發(fā)表在NatureEnergy上，這種硅顆粒填充量更大，單位體積下動力更強，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(qū)動下，Amprius公司已經(jīng)籌集了1億美元，進行硅負極鋰離子電池的商業(yè)開發(fā)。這種電池成本更低，容量比傳統(tǒng)鋰離子電池高10%。目前他們已在國內(nèi)建廠生產(chǎn)手機電池，銷售量已經(jīng)超過100萬件。

電池的未來

除了生產(chǎn)新電池外，崔屹還提到了儲能提高40%的原型。用他的話說，這只是未來優(yōu)秀硅負極電池的開始。

現(xiàn)在，他的注意力已經(jīng)超越了硅材料。其中一個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，金屬鋰負極也面臨著難題。首先，SEI層通常會在鋰電極周圍形成，這是個好消息，因為鋰離子可以穿過這層物質(zhì)，所以SEI層也就充當了鋰電極的保護層。但問題在于，隨著電池充放電循環(huán)，金屬鋰也像硅顆粒那樣膨脹收縮，這種行為會打破SEI保護層。鋰離子會在斷裂處積聚，形成金屬“樹突”，在電極中逐漸成長。最終，會刺破電池隔板，使電池短路并起火。

傳統(tǒng)途徑尚不能解決這個問題。但納米技術(shù)或許能帶來辦法。在嘗試阻止金屬枝晶形成的時候，崔屹團隊通過給負極加裝相互連接的納米碳球來穩(wěn)定SEI層；另一種方法則在更大的蛋黃殼中，通過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，金屬枝晶也不會形成。

改進負極只是這場電池大戰(zhàn)中的一半。崔屹團隊同時還利用相似的納米技術(shù)來改進正極材料，特別是硫材料。就像硅之于負極，硫長久以來也被視為正極材料的不二之選。每個硫原子可以結(jié)合兩個鋰離子，理論上這使正極的儲能量翻了幾倍。同樣重要的是，硫材料實在是便宜。問題在于，硫的導(dǎo)電能力一般，而且會和電解質(zhì)反應(yīng)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候，崔屹團隊用高導(dǎo)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(tǒng)電池提高了5倍，同時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：“現(xiàn)在我們在電池兩極都擁有了高性能的材料。”他希望將來把這兩種創(chuàng)新融合到一處，將硅負極和硫正極結(jié)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。