從無到有

　　很早以前，崔屹就意識(shí)到了這一趨勢(shì)。1998年從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)后，他來到美國(guó)，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(shí)驗(yàn)室從事最前沿的納米材料的合成工作。當(dāng)時(shí)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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shù)為電池領(lǐng)域帶來了一個(gè)“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(jìn)而掌握其中所進(jìn)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(shí)際應(yīng)用。

　　研究團(tuán)隊(duì)曾嘗試了多種納米相關(guān)技術(shù)，以防止硅制負(fù)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(fù)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(gè)鋰離子需要六個(gè)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(chǔ)的能量多少。

　　在這方面，硅的潛力更好。每個(gè)硅原子能夠“綁住”四個(gè)鋰離子。也就是說硅基負(fù)極所存儲(chǔ)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(biāo)而不懈努力。

　　利用硅材料制造負(fù)極很簡(jiǎn)單，問題在于這種負(fù)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(fù)極材料將膨脹三倍；而在放電過程中，鋰離子流出，負(fù)極材料又迅速萎縮。經(jīng)過幾次這樣的折磨，硅電極會(huì)斷裂并最終瓦解為細(xì)小的顆粒。負(fù)極，或者說整個(gè)電池就這么完蛋了。

　　崔屹認(rèn)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(huì)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(shí)表面原子所受相鄰原子的束縛更小，它們?cè)谑艿綁毫蛻?yīng)力時(shí)可以自如地移動(dòng)。就好比稀薄的鋁箔比起厚實(shí)的鋁材料可以很容易彎曲且不會(huì)斷裂。

　　2008年，崔屹提出用納米級(jí)硅線作為硅負(fù)極，這樣可以減緩導(dǎo)致體相硅負(fù)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Nature Nanotechnology，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(fù)極仍具有75%的理論儲(chǔ)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(fù)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(fù)極。盡管這樣可能更便宜，但也引來了第二個(gè)問題：隨著鋰原子的出入，納米顆粒的收縮和膨脹會(huì)使粘合用的膠水開裂。液體電解質(zhì)會(huì)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(gè)非導(dǎo)電層，即固體電解質(zhì)相界面膜 （solid-electrolyte interphase， SEI）。這層膜越積越厚，最終會(huì)破壞負(fù)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(tuán)隊(duì)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?xì)そo硅原子提供了足夠的空間進(jìn)行膨脹和收縮，同時(shí)保護(hù)它們免受電解質(zhì)形成SEI層的困擾。2012年發(fā)表在Nano Letters上的文章顯示，在經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，崔屹團(tuán)隊(duì)這種蛋黃殼式 （yolk-shell） 電極仍具有74%的儲(chǔ)電能力。

　　兩年之后，他們有了進(jìn)一步突破，這些蛋黃殼式的納米顆粒被組裝成微米級(jí)結(jié)構(gòu)，宛如一個(gè)微型石榴。這種新的硅納米球體提高了負(fù)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Nature Nanotechnology發(fā)表了新的進(jìn)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(shí)候，崔屹團(tuán)隊(duì)公布了一個(gè)更加優(yōu)秀的方案。他們將體相硅材料敲打至微米級(jí)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(shí)，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Nature Energy上，這種硅顆粒填充量更大，單位體積下動(dòng)力更強(qiáng)，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(duì)了方向?！?/p>

　　在這一技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，Amprius公司已經(jīng)籌集了1億美元，進(jìn)行硅負(fù)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(guó)內(nèi)建廠生產(chǎn)手機(jī)電池，銷售量已經(jīng)超過100萬件。