How to build a better battery through nanotechnology
电脑芯片-硅谷的原始创新,几十年来呈指数级飞跃发展;相比之下,电池技术的发展就显得非常滞后;十年以来,市场上最好的锂离子电池能量密度翻了一倍,目前最好的锂离子电池能量密度大约700 Wh L奔驰e260新款-1,比20实际80年代的Ni-Cr电池提高了5倍,这个水平不差,但是没有什么突破性的进展;
电池使用者的需求日益增加据市场调研公司的报告称,仅仅是锂离子电池的市场到2020年就将达到300亿美元;其中一部分来自于电动汽车制造商,譬如特斯拉、通用汽车和日产等;
以特斯拉S型车为例,其70-90 kWh电池重600kg,价格约3万美元,这种汽车的价格超过10万美元,而一次续航只有400公里,大大低于普通汽车;日产的Leaf型车比较便宜,价格约万美元,但是其电池很小,续航仅有特斯拉的1/3;
提高电池技术将产生重大影响;电池能量密度提高一倍,可以在保持续航能力的条件下将价格和电池尺寸减半,或者在保证电池尺寸的条件下,使续航能力翻倍;,崔毅认为：“电动汽车的时代
已经来临,但是,我们需要做得更好”劳伦士s70
世界各大公司,诸如松下、三星、LG、苹果以及特斯拉等都致力于电池的微型化、轻量化以及更加动力化;在这些强劲的选手中,崔屹,一直是一股先锋力量;
崔屹,斯坦福大学材料科学家,6年前创立Amprius电池公司;和其他公司致力于调整电池电极或者电解质的化学成分不一样的是,崔屹致力于将电池和纳米技术结合;他正在构筑一系列复杂结构的电池电极,比标准电极可以更大量、更迅速的吸收和释放带电离子,而且不会产生不希望得到的副产物;
目前他正在探索的纳米构筑电极方法主要包括：硅纳米线和纳米yolk-shell结构;经过一系列的实验研究,崔屹向大家展示了他如何利用纳米技术来解决电池化学中长期存在并阻碍科技发展的重难点问题：1利用Si取代标准石墨,作为锂离子电池负极材料；2利用金属锂作为负极材料；3基于Li-S化学的电池,将比任何锂离子电池更强大;
崔屹说,当他开始从事研究时,就致力于“改变世界,同时变得富裕,但是以改变世界为主”;崔屹的团队还在孵化一些创业公司,旨在利用纳米技术创新来提供更便宜、更高效的空气和水净化系统;尽管如此,电池还是他的主战场
clubman在科研生涯的早期,崔屹就意识到了这种需求;1998年本科毕业之后,崔屹赴哈佛拿到了PhD学位,然后在伯克利进行博后研究;这期间,他在实验室从事最前沿的纳米材料的合成工作;当时还处于纳米技术的早期,研究人员还致力于控制合成希望得到的纳米材料,纳米技术的应用还处于雏形阶段;
在伯克利的时候,受到劳伦斯伯克利国家实验室主任Steven Chu的启发,崔屹开始接触之前从没有接触过的电池领域;Chu认为,纳米技术为清洁能源提供了一个崭新,而又重要的旋钮;研究人员不仅可以在最小的尺度上控制材料的化学成分,还可以控制材料内部原子的排列,从而真正明白所发生的化学反应是如何进行的
加入斯坦福之后,崔屹就致力于将纳米技术和电池电化学紧密结合,开发了一系列新型的电池纳米技术;
硅纳米线取代石墨负极
石墨是目前最优的负极材料,其高导电性,使电子可以很容易传递到电路的金属导线中;但是石墨在放电过程中收集锂离子的能力马马虎虎,需要六个碳原子来结合一个锂离子,这种缺陷限制了电极所承载的锂含量,从而限制了电池所能储存的能量;
在这方面,硅就可以做得更好每个Si原子都可以和4个锂离子结合,理论上来说,硅基负极材料比石墨负极材料可以存储多10倍的能量,这是电化学家们几十年来苦苦追寻都没有实现的目标;
利用块状的Si来制备负极材料是很容易的,其问题在于,这种Si基材料稳定性较差;当电池充电时,锂离子嵌入负极,和硅原子结合,负极材料膨胀3倍;放电时,锂离子脱离,负极材料就迅速收缩;几个循环之后,硅电极就发生破碎,直到土崩瓦解成小碎片,电池也就失效了;
崔屹认为,它能够解决这个问题;哈佛和伯克利的研究工作教会了他,体相材料到纳米尺度之后常常会表现出完全不一样的性质;首先,纳米材料表面原子占所有原子数的比例更大,表面原子不受相邻原子的影响,在应力和压力的作用下可以更容易移动;
2008年,崔屹发明了一种硅纳米线负极,有效减缓了压力和应力作用,彻底击败了体相硅负极材料;当锂离子在硅纳米线中嵌入和脱离时,硅纳米线受到的损伤非常小,经过10次循环,这种负极材料还可以保持其理论储能容量的75%;
不幸的是,和体相硅材料相比,硅纳米线更贵,也更不容易获得;于是,崔屹及其合作者开始寻
更便宜的硅负极纳米技术;首先,他们利用球形硅纳米颗粒来制备锂离子电池负极;虽然从理论上来说,这种材料更加便宜,但是,第二个问题又来了：锂离子嵌入和脱离造成的膨胀和收缩使得粘结Si纳米颗粒的胶水开裂,液体电解质渗透到纳米颗粒之间,产生化学反应,并在Si纳米颗粒表面包裹上一层非导电物质,称之为固体电解质相界面膜SEI;这层SEI膜慢慢变厚,最终破坏了负极的电荷收集能力;劳斯莱斯
Yolk-Shell纳米结构新型负极
几年之后,崔屹及其合作者转向另一项纳米技术解决方案：蛋黄结构yolk-shell纳米颗粒;将硅纳米颗粒包裹在高导电的空心碳壳之中,锂离子可以在碳壳中自由进出;空心壳层为内部硅原子的膨胀和收缩提供了足够的空间,同时又保护他们不受电解质的干扰,这种负极材料在1000次充放电循环之后,容量可保持74%;
2年之后,他们将这种yolk-shell结构的纳米颗粒组装到微米尺度,像一个微型石榴;将硅纳米颗粒聚成一团的好处就是,增大了负极储存锂和储存能量的能力,并减少了电解液造成的副反应,1000次充放电循环之后,容量可保持97%;
今年年初,崔屹及其合作者又报道了一种比他们复杂的石榴型负极更加优越的新策略;他们直接将体相的硅颗粒敲碎到微米尺度,然后将它们包裹在石墨烯材料中;虽然这种微米的硅颗粒更容易破碎,但是石墨烯的包裹不仅防止电解液的接触,还可以维持和破碎的颗粒的接触,继续传递电荷到金属导线;更重要的是,这种微米的硅颗粒可以填充包装得更加紧密,从而具有更强的动力;而且更加便宜和容易生产;
金属锂负极
特斯拉电池日现在,崔屹又开始探索硅之外的体系,其中一个重点就是用金属锂来制备负极;金属锂一直以来被认为是最优秀的负极材料,可储存比硅更多的能量,而且更轻;
金属锂作为负极材料的一个首要问题在于：SEI非导电层的包裹;好消息是,锂离子可以穿透这层材料,因而SEI层可以作为保护层;不幸的是：和硅纳米颗粒一样,在膨胀和收缩过程中,容易破坏SEI层,产生裂缝;锂离子在裂缝中堆积,产生金属枝状物,在电解液中生长,以至于刺破电池分离器,使电池短路,造成起火;
常规方法没有解决这个问题,但是纳米技术可以;防止枝晶的一个办法就是,在负极表面包裹
一层碳纳米球作为中间层,来稳定SEI层;另一个办法就是,利用更大的碳壳包裹的Au纳米颗粒作为负极,Au可以结合锂离子,而碳壳为锂的膨胀和还收缩提供空间,从而不会破坏SEI层,防止枝晶的形成;
硫正极
提高负极效果仅仅是提升电池性能的一半;崔屹还采用类似的纳米技术用于提高以S为主的正极材料的性能;和硅在负极中一样,S也一直被视作正极材料的潜力股;每个S原子可以结合2个锂离子,使得其理论储能能力比常规锂离子电池高好几倍;同样重要的是,S非常便宜;其问题在于：S的导电性一般,而且容易和电解液发生反应,充放电几个循环之后,副产物就会使电池失效;放电过程中,S正极也倾向于储存电荷,而不是释放它们;
为了寻纳米解决方案,崔屹团队将S颗粒包裹在高导电性的TiO2空心壳层中,使得电池容量比常规锂离子电池提高了5倍,并有效防止了S的副产物对电池的毒化;同时,他们还制备了石榴型的S基正极材料,或者将S嵌入纳米纤维中;这些技术不仅大大提高了电池容量,还将库伦效率电池放电性能从86%提高到99%;
Amprius公司已经投入超过1亿美元用于硅负极锂离子电池的商业化;公司已经在中国制造手机电池,并售出1百万套;基于简单硅纳米颗粒电极的手机电池,比目前市场中最好的商业锂离子电池可多储10%的能量,另一个基于硅纳米线的雏形产品可多存储40%的能量,而实验室正在研发的产品具有更优越的性能;这还只是基于硅纳米技术负极的锂离子电池的开始;
至今为止,Amprius公司尚未开始制造电动车电池,但是一旦崔屹正在研发的技术成功实现,他们将制造出比目前最佳性能储能多达10倍的电动车电池;这将在汽车领域带来革命性的突破,极大地降低碳排放;
崔屹说,接下来他打算融合所有这些关键的纳米技术创新成果,将硅负极和硫正极整合成全电池,希望能开发出更便宜、更高容量的电池,改变整个世界的供能方式;
这将帮助他改变世界,同时获得财富
参考文献：标志4008最新报价
Robert F. Service. The battery , 2016, 352, 1046-1049.
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