Science：崔屹——从纽扣电池到电动汽车，纳米技术足以改变世界

近日，Science报道了一篇关于崔屹与锂离子电池的新闻，详细阐述了崔屹的锂离子电池研究历程及做出的巨大贡献。

崔屹，就职于斯坦福大学材料系，目前主要的研究集中在新能源材料与器件、锂离子电池的大容量及稳定性突破，致力于推动电动汽车的革命。要知道，在他刚涉足纳米材料的研究时，他的方向是有效净化空气和水的系统。他是如何一步步涉足电池的研究直至今天这种成就？下面且听小编娓娓道来。

初涉电池研究

一直以来，电池的发展中规中矩，但缺乏飞跃性的提升。目前最优秀的锂离子电池，其能量密度也只比19世纪80年代的镍镉电池大四倍，这极大限制了储能的设备的进一步发展。在这种背景下，仍在加州大学伯克利分校攻读博士后的崔屹依然在探索着纳米材料合成的美妙。与此同时，隔壁的劳伦斯伯克利国家实验室的带头人Steven Chu 等人已经开始将纳米材料的研究尝试应用于可再生新能源，并认为这是很有意义的推进。受此启发，崔屹来到斯坦福后，很快开始探索纳米技术与电化学的结合。

解决传统局限——硅纳米线

石墨是最传统的锂离子电池阳极材料，但其局限性主要在于储锂量小，6个碳原子才能结合1个锂离子。相比于石墨材料，崔屹看中的是硅材料。硅材料的储锂量远远大于石墨，因为1个硅原子可以结合四个锂离子，所以从理论上来说，硅材料的储能是石墨材料的24倍。这极大地激发了崔的兴趣，但是，一个巨大的难题摆在了面前：块体的硅材料在充放电过程中，会产生体积的极大膨胀和收缩，从而导致整体的硅破裂为独立的小颗粒，失去大的储锂能力。当然，这可难不倒做纳米结构材料出身的崔屹，他的特长正在于制备区别于块体的材料。2008年，他的团队设计出硅纳米线的结构，有效地缓解了体积膨胀过程中的压力和拉力，实现了10次稳定充放电循环，这是一个较大的突破。

靠近现实：空心蛋壳（Yolk-Shell）结构电极

然而，硅纳米线的制备成本十分昂贵，于是他们转向了硅纳米颗粒的研究。第二个问题又出现了：纳米硅课题膨胀和收缩的过程中，电解液会与固体颗粒形成一层不导电的固体电解质界面（SEI）膜，这层膜会逐步增厚最终大大降低阳极的电荷储存能力。崔屹当然有他的办法来解决。2012年，他们创造了一个Yolk-Shell结构颗粒，利用一层高导电的碳包裹每一个硅颗粒（预留足够的硅膨胀的空间），这样便可以解决SEI膜对电极材料造成的影响。这种结构的阳极经1,000次循环充放电后仍保持74%的容量。

前进，前进！

科学的步伐一步也不能停，崔屹更是如此。14年，他们进一步优化了Yolk-Shell结构的硅电极结构，提出了中空蛋壳状的石榴石结构，这进一步改善了电极的稳定性，这一次，循环充放电1000次后，容量保持了97%！

更大的进步需要探索新的电极材料，而不是局限于硅。今年始，崔屹开始探索金属锂作为阳极材料的潜力。16年1月，他们采用熔融锂金属注入三维C/Si框架的方法，实现性能远高于纯金属锂的阳极材料，发表于PNAS（美国科学院院刊）上。

之后，在2月，为了解决因金属锂膨胀和收缩导致的针刺状树突划破SEI膜，崔屹的团队再次设计了中空碳球包裹种子层生长金属锂的结构，较好地防止了这种树突的形成，从而大幅度提升了循环稳定性，300次循环后库伦效率仍在98%。

进一步地，同年3月，他们再次设计了一种复合的金属锂阳极，以拥有纳米孔道的亲锂层状石墨烯作为宿主负载金属锂，实现小的尺度改变（循环仅改变20%）以及非常优异的电化学性能，这又让金属锂作为锂离子电池阳极材料向前迈进了一步。

除了对于阳极材料的研究，崔屹也已经开始对于阴极材料的研究。预锂化是一个可行的方案。2016年1月份，他们提出了一种过渡金属与氧化锂的阴极添加剂，很好地弥补了初始的储锂损失。

另外，硫作为阴极材料，一直也具有十足的潜力，因为每一个硫原子可以结合两个锂离子。当然，其也存在导电性一般，易与电解质反应等问题。延续之前石榴石结构的思路，他们将硫颗粒封装在高导电性的二氧化钛壳中，比传统结构提升了5倍的电容量。

向未来迈进

既然正负极都有了，锂离子电池的突破便指日可待了。崔屹创立的Amprius 公司已经投入1亿美元的资金在商用化的硅阳极，已经可以制造出手机锂离子电池。从最初的门外汉到可以制造纽扣电池到现今的竭力推进电动汽车的发展，崔屹的纳米技术已经在改变世界，也将更多更好地改变世界！

原文链接：THE BATTERY BUILDER

参考文献：

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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