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　　四月里，一个小雨蒙蒙的清晨，崔屹开着他的赤色特斯拉穿插在忙碌的车流中前去硅谷。崔屹是斯坦福大学的资料科学家，此行目标地是他六年前建立的安普瑞斯（Amprius）电池公司。可巧的是，他驾驶的恰是一辆电池驱动车，不外是租来的，不是买的，他但愿在此后几年里“咱们的电池能用在这车里。”

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　　崔屹和他的电池公司

　　崔屹和他的公司正在测验考试将锂离子电池——现在最好的商用手艺——提拔到一个新的高度。目前，很多公司，如松下、三星、LG化学、苹果以及特斯拉等都在竞相让电池变得更小、更轻，同时具有更大的储电威力。但在这些强力的合作者中，崔屹的公司依然是最具开创性的。

　　与同业分歧的是，同业次要关心调解电池电极或导电电解质化学身分，崔屹正在将电池化学与纳米手艺连系起来。目前他正在建立的布局庞大的电池电极，可比尺度电极更多更快地接收和大量带电离子，同时不会发生无害的化学副反映。

　　他正在操纵纳米手艺的立异手艺来操控化学。”马里兰大学资料科学家和电池专家罗巍（WeiLuo，音译）说道。

　　在一系列尝试演示中，崔屹展现了他是若何通过奇特布局的电极处理持久以来搅扰钻研职员的一系列电池化学反映问题的。此中包罗：

　　?由硅代替尺度石墨的锂离子电池；

　　?采用裸金属锂作为电极资料的电池；

　　?供给比锂离子电池更壮大的锂-硫化学反映电池。

　　目前正在摸索中的纳米布局电池包罗：

　　?硅纳米线和微型蛋形布局，前者在接收和锂离子时会膨胀和紧缩，后者带有“碳壳”，可含有锂离子的硅颗粒“蛋黄”。

　　Amprius公司曾经起头供应硅电极手机电池，与市场上最好的保守锂离子电池比拟较，储电威力添加了10%，另一款正在开辟中的原型产物的储电威力以至能够添加40%。到目前为止，崔屹的公司还未出产用在电动汽车（EVs）上的电池，但若是有朝一日该公司正在研发的手艺能到达预期方针，这种汽车电池的储能容量将到达现在最顶尖产物的10倍。届市价格低廉的电动汽车也可以或许和保守燃油汽车一样长距离行驶，大量的车辆可操纵太阳能和风能供给电力，从而带来汽车行业的一场性进展，大幅低落环球碳排放量。

　　“我想要转变世界，同时变得敷裕，但次要仍是要转变世界。”在刚起头钻研时崔屹说道。

　　他的追求已超越了电池行业，他的尝试室摸索的纳米新手艺将催生一批为人们供给更重价、更高效氛围和水净化体系的创业公司。但到目前为止，崔屹取得最为注目成绩的仍是在电池行业上。罗巍对崔屹顺利的评价为“保守、令人”。西北承平洋国度尝试室资料学家刘俊（JunLiu，音译）的评价则更为开门见山：崔屹的纳米手艺对付电池行业孝敬“庞大”。

　　电池行业近况

　　实现电池手艺的奔腾难于上彼苍。与硅谷的电脑芯片机能在已往几十年里呈指数增加比拟较，电池的成长不断滞后。目前最好的锂离子电池能量密度约为700Wh/L，是20世纪80年代的镍-镉电池的五倍。这成就尽管不错，但还算不上真正的冲破。近十年里，最好的贸易电池的能量密度已翻了一番，但依然不克不及餍足用户不竭增加的需求。按照一些市场研究演讲的预测，估计到2020年，锂离子电池的市场份额可到达300亿美元，跟着特斯拉、企业管理学通用汽车、日产等汽车公司的电动汽车产量的添加，电池市场规模急剧扩大。

　　昨天的电动车也另有很大的成长空间。以特斯拉的S型电动汽车为例，其70-90千瓦时的电池重达600公斤，10万美元的一台车，电池价钱就占了3万美元。而一次充电行程只要400公里，远逊于保守汽车。日产Leaf则廉价良多，标价约2.9万美元，可是其电池组较小，最大行程只要特斯拉的1/3。

　　电池手艺改革将给电动汽车带来主要影响。电池能量密度每提高一倍，汽车厂商就能够在连结行程稳定的环境下，将电池的体积和本钱低落一半，或者取舍电池体积和本钱稳定，行程翻倍。“电动汽车的时代就要到临，”但为了让电动汽车代替保守汽车，“咱们必需做得更好！”崔屹说道。

　　纳米电池起步

　　在他的晚期钻研生活生计中，崔屹就认识到了这种需求。1998年从中国科学手艺大学本科结业后，他先来到美国哈佛大学，后在大学伯克利分校完成博士学位，并在其时最前沿的纳米资料合成尝试室处置博士后钻研。其时纳米手艺处于成长晚期，钻研职员还在勤奋寻找靠得住的方式制作他们想要的资料，纳米手艺的使用才刚有雏形。

　　在大学伯克利分校，崔屹与劳伦斯伯克利国度尝试室（LBNL）的同事一路。其时LBNL的担任人朱棣文（StevenChu）正在鞭策尝试室可再生能源手艺的开辟，以应答天气变迁，此中包罗开辟更好的电池来存储洁净能源（2009年到2013年，朱棣文不断负责美国总统巴拉克?奥巴马的能源部长。）

　　“一起头，我并没有过多关心能源问题，以前也没有做过电池方面的钻研。”崔屹说道。

　　但朱棣文和其他尝试室同事的勤奋给了他很大震撼，意识到了纳米科技有可能给电池带来新的出。正如朱棣文所说的，纳米手艺为电池范畴带来了一个“新的终点”，钻研职员不只能在最小标准下节制电池资料的化学身分，还能通过从头放置材猜中的原子节制电池的化学反映。

　　以锂离子充电电池为例，准绳上，这些电池的布局道理很简略：两个电极由一层薄膜作为“分手器”分手隔，液体电解质可让离子在电极之间来回滑动。

　　电池充电时，锂离子从正极或阴极，阴极资料为锂合金，凡是为钴酸锂或锂磷酸铁，的锂离子被吸引到带负电荷的电极（也叫阳极，阳极凡是用石墨制成），并紧紧集聚在石墨的碳原子之间。来自外部的电源电压驱动着整个离子群大规模挪动，从而到达存储电能的目标。

　　当某项设施，如电动工具或汽车开动必要能源时，电池放电，堆积在石墨碳原子间的锂原子电子通过外部电达到阴极，同时，石墨中出来的锂离子穿过电解液和“分手薄膜”达到阴极，在那里与电子相遇，完成电池电的轮回之旅。

　　石墨是现在最抱负的负极资料，其高导电性可轻松地将电子传送到电中的金属导线中。但在放电历程中石墨网络锂离子的威力却很正常。六个碳原子才能“抓住”一个锂离子，较弱的吸收威力了电极中可容纳的锂含量，即了电池贮存能量的威力。

　　硅在这方面更好一些，每个硅原子可以或许“绑定”四个锂离子，这象征着硅基负极的储能量可到达石墨资料负极的10倍。几十年来，电化学家不断在为开辟硅基负极的这种潜力而付出了不懈的勤奋，但不断吃力不讨好。

　　操纵硅资料制作负极很简略，问题在于这种负极无奈连续不变地具有。电池充电时，锂离子大量涌入并与硅原子连系，负极资料可膨胀300%，然后在放电历程中，跟着锂离子的流出，负极资料敏捷紧缩。硅电极经不起几回就会断裂，成藐小的颗粒。电池的负极，或者说整个电池就如许报废了。

　　崔屹感觉本人能够处理这个问题，在哈佛大学和伯克利的履历告诉他，纳米资料与通俗资料的举动是有所分歧的。起首，纳米资料概况所含原子的比例高于其内部，同时其概况的原子很少受相邻原子的，在蒙受压力和应力时能够挪动的度也更高。

　　纳米电池立异

　　2008年，崔屹提出用纳米硅制造硅负极，如许能够减轻导致块状硅负极的压力和应力。他的设法公然可行，在颁发在《天然?纳米科技》（NatureNanotechnology）上的论文中，崔屹和他的同事展现了他们的钻研，在履历多次锂离子流入流出硅纳米导线的历程后，纳米线险些没坏，以至在颠末了10轮充电和放电轮回后，负极仍具有75%的理论储电威力。

　　可惜的是，硅纳米线比块状硅更难制备，也更为高贵。于是崔屹和同事们起头钻研低落硅负极资料本钱的路子。起首，他们找到了操纵球形硅纳米颗粒制备锂离子电池负极的法子，尽管处理了本钱问题，但他们又要面临另一个问题。跟着锂原子的流入流出，纳米颗粒也随之紧缩和膨胀，导致粘合纳米粒子的胶开裂，液体电解质通过这些裂痕在纳米粒子间渗入，发生化学反映，在硅纳米粒子概况构成一个非导电层，被称为固体电解质膜（solid-electrolyteinterphase，SEI），跟着这层膜越积越厚，负极的电荷网络威力渐被。崔屹尝试室的一名钻研生说道，“它们就像是疤痕组织一样。”

　　几年后，崔屹的团队又测验考试了纳米手艺的另一种处理法子。他们制备了蛋形纳米粒子，在这些细小的硅纳米粒子（即“蛋黄”）四周裹上一层高传导性的碳外壳，锂离子能够通过这层外壳，而这层碳外壳能够赐与“蛋黄”中的硅原子膨胀和紧缩的足够空间，同时其免受电解质化学反映构成的SEI的搅扰。在2012年颁发在《纳米快报》（NanoLetters）上的论文中，崔屹的钻研团队演讲称，颠末1000次充放电轮回后，这种蛋黄壳式（yolk-shell）电极仍保存了74%的储电威力。

　　两年之后，这种“蛋黄壳式”纳米粒子有了进一步改良，它们被拆卸成微米级的组合布局，就像一个微型石榴。这种新的硅纳米布局可提高负极的锂贮存量，低落电解质中的无害副反映。2014年2月，崔屹在《天然?纳米科技》上颁发了纳米电池的新进展，成立在新资料根本上的电池，颠末1000次充电放电轮回后，连结了高达97%的电池容量。

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　　跟着电池公司的启动运转，崔屹还打算将纳米手艺使用于氛围净化和水净化项目

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　　本年早些时候，崔屹的团队演讲称，他们有了一个比“微型石榴”组合式纳米布局更好的方案。他们将较大的硅纳米粒子锤打至微米级粒子，然后包裹在极薄的石墨烯碳层内。如斯处置制成的硅纳米粒子比之前的“微型石榴”更大，如斯大的体积凡是在颠末几回充放电后就会断裂，但石墨烯的包裹层可电解质接触到硅纳米资料，同时轻松将电荷传送到金属导线。有关已颁发在《天然?能源》（NatureEnergy）上。硅纳米粒子越大，必然体积内容纳的电能也越多，与“微型石榴”纳米布局比拟较，本钱更低，制造也更简略。

　　他此次真的找对了标的目的。”刘俊说道。

　　在这些立异设法的鼓励下，Amprius公司筹集了1亿美元进行硅负极锂离子电池的贸易开辟。Amprius公司在中国出产的手机电池发卖量已达100万，公司首席手艺官韩松（SongHan，音译）说道，这种以简略硅纳米为根本的电池出产本钱较低，但容量只比现在的锂离子电池高10%。但在Amprius公司总部，韩松展现的纳米线-硅电池的手艺原型可提高储电容量40%，他说，这只是一个起头，硅负极电池的将来前景无可限量。

　　此刻，崔屹的眼光已超越了硅资料。一个钻研重点是用纯金属锂制做负极，纯金属锂不断被视为终极负极资料，由于与硅资料比拟，它拥有储能量更大、品质更轻的更好潜力。

　　但另有一些严重手艺难题有待于处理。起首，锂金属电极四周凡是会构成锂离子能够穿过的SEI层，因而SEI层可充任锂负极的层，从这点来说是功德。但跟着电池充电放电的多次轮回，金属锂也像硅纳米粒子那样膨胀紧缩，最终SEI层，锂离子在断裂处储蓄积累起来，在电极中构成很多被称为“枝晶”的金属尖刺。

　　这种枝晶会刺破电池隔板，导致电池短并动怒。”崔屹钻研团队中的另一名钻研生说道。

　　保守工艺不断未能处理这个问题，但纳米手艺也许能够。为金属枝晶构成，崔屹团队采纳的一种法子是，通过给负极加上一层彼此连通的纳米碳来不变SEI层；另一种方式是在更大的碳壳里，加上一层新的由金纳米粒子形成的“蛋黄壳”粒子，金纳米颗粒接收锂离子，壳层为锂的膨胀和紧缩供给空间，从而处理了SEI层发生裂痕和构成金属枝晶的问题。

　　电池负极的改良只是顺利的一半。崔屹的团队同时还操纵类似的纳米手艺来改良正极资料，出格是硫。就像硅被视为最佳负极资料一样，持久以来硫也被视为正极资料的最佳取舍。每个硫原子能够连系两个锂离子，理论上可使正极的储电威力添加几倍。同样主要的是，硫资料相当廉价。但在具体实践上同样具有一些问题，硫的导电威力相当正常，并且还会与通俗的电解质反映，天生风险电池的无害化学物质，导致几回充电放电后电池就报废了。别的在放电历程中，硫正极倾向于储蓄积累电荷，而不是电荷。

　　在寻求纳米处理方案的历程中，崔屹的团队将硫粒子包裹在高导电性二氧化钛的外壳里，与保守电池比拟，电池容量提高了5倍，同时也预防了损害电池的无害化学物质的构成。钻研职员还制造了硫基版本的“微型石榴”，将硫固定在长而细薄的纳米纤维中。这些改革办法不只添加了电池容量，还将库伦效率（指电池放电效率）从86%提高到99%。

　　现在，纳米电池的正负南北极都到达了高容量的要求。”崔屹说道。

　　崔屹的下一步方针是将这两种立异融合为一体，他但愿能将硅负极与硫正极顺利连系在一路，制作出高容量低本钱的电池，从底子上转变世界能源款式。

　　我置信，若是咱们的纳米电池能得到最初的顺利，将对世界发生很大的影响。”崔屹说道。