Science：崔屹——從紐扣電池到電動汽車，納米技術足以改變世界

近日，Science報道了一篇關于崔屹與鋰離子電池的新聞，詳細闡述了崔屹的鋰離子電池研究歷程及做出的巨大貢獻。

崔屹，就職于斯坦福大學材料系，目前主要的研究集中在新能源材料與器件、鋰離子電池的大容量及穩定性突破，致力于推動電動汽車的革命。要知道，在他剛涉足納米材料的研究時，他的方向是有效凈化空氣和水的系統。他是如何一步步涉足電池的研究直至今天這種成就？下面且聽小編娓娓道來。

初涉電池研究

一直以來，電池的發展中規中矩，但缺乏飛躍性的提升。目前最優秀的鋰離子電池，其能量密度也只比19世紀80年代的鎳鎘電池大四倍，這極大限制了儲能的設備的進一步發展。在這種背景下，仍在加州大學伯克利分校攻讀博士后的崔屹依然在探索著納米材料合成的美妙。與此同時，隔壁的勞倫斯伯克利國家實驗室的帶頭人Steven Chu 等人已經開始將納米材料的研究嘗試應用于可再生新能源，并認為這是很有意義的推進。受此啟發，崔屹來到斯坦福后，很快開始探索納米技術與電化學的結合。

解決傳統局限——硅納米線

石墨是最傳統的鋰離子電池陽極材料，但其局限性主要在于儲鋰量小，6個碳原子才能結合1個鋰離子。相比于石墨材料，崔屹看中的是硅材料。硅材料的儲鋰量遠遠大于石墨，因為1個硅原子可以結合四個鋰離子，所以從理論上來說，硅材料的儲能是石墨材料的24倍。這極大地激發了崔的興趣，但是，一個巨大的難題擺在了面前：塊體的硅材料在充放電過程中，會產生體積的極大膨脹和收縮，從而導致整體的硅破裂為獨立的小顆粒，失去大的儲鋰能力。當然，這可難不倒做納米結構材料出身的崔屹，他的特長正在于制備區別于塊體的材料。2008年，他的團隊設計出硅納米線的結構，有效地緩解了體積膨脹過程中的壓力和拉力，實現了10次穩定充放電循環，這是一個較大的突破。

靠近現實：空心蛋殼（Yolk-Shell）結構電極

然而，硅納米線的制備成本十分昂貴，于是他們轉向了硅納米顆粒的研究。第二個問題又出現了：納米硅課題膨脹和收縮的過程中，電解液會與固體顆粒形成一層不導電的固體電解質界面（SEI）膜，這層膜會逐步增厚最終大大降低陽極的電荷儲存能力。崔屹當然有他的辦法來解決。2012年，他們創造了一個Yolk-Shell結構顆粒，利用一層高導電的碳包裹每一個硅顆粒（預留足夠的硅膨脹的空間），這樣便可以解決SEI膜對電極材料造成的影響。這種結構的陽極經1,000次循環充放電后仍保持74%的容量。

前進，前進！

科學的步伐一步也不能停，崔屹更是如此。14年，他們進一步優化了Yolk-Shell結構的硅電極結構，提出了中空蛋殼狀的石榴石結構，這進一步改善了電極的穩定性，這一次，循環充放電1000次后，容量保持了97%！

更大的進步需要探索新的電極材料，而不是局限于硅。今年始，崔屹開始探索金屬鋰作為陽極材料的潛力。16年1月，他們采用熔融鋰金屬注入三維C/Si框架的方法，實現性能遠高于純金屬鋰的陽極材料，發表于PNAS（美國科學院院刊）上。

之后，在2月，為了解決因金屬鋰膨脹和收縮導致的針刺狀樹突劃破SEI膜，崔屹的團隊再次設計了中空碳球包裹種子層生長金屬鋰的結構，較好地防止了這種樹突的形成，從而大幅度提升了循環穩定性，300次循環后庫倫效率仍在98%。

進一步地，同年3月，他們再次設計了一種復合的金屬鋰陽極，以擁有納米孔道的親鋰層狀石墨烯作為宿主負載金屬鋰，實現小的尺度改變（循環僅改變20%）以及非常優異的電化學性能，這又讓金屬鋰作為鋰離子電池陽極材料向前邁進了一步。

除了對于陽極材料的研究，崔屹也已經開始對于陰極材料的研究。預鋰化是一個可行的方案。2016年1月份，他們提出了一種過渡金屬與氧化鋰的陰極添加劑，很好地彌補了初始的儲鋰損失。

另外，硫作為陰極材料，一直也具有十足的潛力，因為每一個硫原子可以結合兩個鋰離子。當然，其也存在導電性一般，易與電解質反應等問題。延續之前石榴石結構的思路，他們將硫顆粒封裝在高導電性的二氧化鈦殼中，比傳統結構提升了5倍的電容量。

向未來邁進

既然正負極都有了，鋰離子電池的突破便指日可待了。崔屹創立的Amprius 公司已經投入1億美元的資金在商用化的硅陽極，已經可以制造出手機鋰離子電池。從最初的門外漢到可以制造紐扣電池到現今的竭力推進電動汽車的發展，崔屹的納米技術已經在改變世界，也將更多更好地改變世界！

原文鏈接：THE BATTERY BUILDER

參考文獻：

1. Layered reduced graphene oxide with nanoscale interlayer gaps as a stable host for lithium metal anodes
2. High-capacity battery cathode prelithiation to offset initial lithium loss
3. A pomegranate-inspired nanoscale design for large-volume-change lithium battery anodes
4. Selective deposition and stable encapsulation of lithium through heterogeneous seeded growth
5. Composite lithium metal anode by melt infusion of lithium into a 3D conducting scaffold with lithiophilic coating

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