鉅大LARGE | 點擊量：620次 | 2021年12月03日
崔屹：硅負(fù)極鋰離子電池快速走向產(chǎn)業(yè)化
在現(xiàn)代科學(xué)體系內(nèi)，能開辟一個重要研究領(lǐng)域的科學(xué)家并不多，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授崔屹是其中一個。２０１６年，美國權(quán)威學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》發(fā)表長篇通訊，專門介紹崔屹和他對硅負(fù)極鋰離子電池發(fā)展做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。崔屹日前接受新華社記者專訪時說，硅負(fù)極鋰離子電池正快速走向產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計１０年內(nèi)是鋰離子電池主流發(fā)展方向。
崔屹曾先后在我國科大、哈佛大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校學(xué)習(xí)，２００５年到斯坦福工作。他的一個重要研究方向是利用納米技術(shù)提高電池的性能。在這個領(lǐng)域，崔屹面對著松下、三星、蘋果以及特斯拉等知名公司科研團(tuán)隊的強(qiáng)力競爭，但正如《科學(xué)》通訊文章所言，他“依然是一支開創(chuàng)性力量”，對電池發(fā)展的貢獻(xiàn)“巨大”。
那么，目前主流的鋰離子電池發(fā)展到了什么階段？接下來向何處去？永久待機(jī)的手機(jī)電池能實現(xiàn)嗎？帶著這些問題，記者在舊金山舉辦的我國科大硅谷科技峰會上采訪了崔屹，他也是此次主題為“未來科技二十年”峰會的主席。
崔屹表示，電池最重要的一個指標(biāo)是能量密度，也就是單位重量或單位體積所能儲存的能量。目前電池重量能量密度為一般２００到２５０瓦時每千克，但性能提升相對緩慢。提升這一性能關(guān)鍵在于正極和負(fù)極材料，重要是負(fù)極材料。
他說，目前鋰離子電池主流正極材料是金屬氧化物，而主流負(fù)極材料是石墨，也就是碳。從１０年前開始，他開始研究利用硅取代碳，因為硅在單位重量上儲存鋰離子的量是碳的１０倍，“假如硅負(fù)極能取代碳負(fù)極，那么重量能量密度很有可能達(dá)到４００瓦時每千克，差不多翻倍”。
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當(dāng)今世界，發(fā)展電動汽車已成為大勢所趨，但絕大部分電動汽車的續(xù)航能力還只有兩三百公里，跟傳統(tǒng)汽車相比尚有差距。假如電池能量密度提高一倍，就可以在汽車?yán)m(xù)航能力不變的情況下，將電池體積和成本減半；或者選擇保持電池體積不變，讓續(xù)航能力翻倍?！澳蔷筒坏昧肆?，”崔屹說，“充一次電比燃油車開得還遠(yuǎn)?！?/p>
但是，硅負(fù)極面對的一個重大挑戰(zhàn)，是它在充放電過程中容易破裂。借助納米技術(shù)，崔屹在解決這個問題上做出一系列嘗試，目前研制出兩款硅負(fù)極電池產(chǎn)品，一個能量密度為３００瓦時每千克，已經(jīng)在我國大規(guī)模生產(chǎn)，并向中興等手機(jī)生產(chǎn)廠商供貨，其成本、循環(huán)壽命和安全性都與傳統(tǒng)電池相當(dāng)；另一個能量密度為４００瓦時每千克，目前只能小規(guī)模生產(chǎn)，成本仍需繼續(xù)降低。
“在我做了硅負(fù)極之后，這個領(lǐng)域成長很快，許多電池公司都在研究這個，希望利用納米科學(xué)的辦法來發(fā)展下一代鋰離子電池材料，”他說，“我的預(yù)測是，市場上將先出現(xiàn)硅碳結(jié)合的負(fù)極材料，然后硅的比例越來越高，能量密度也越來越高，整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大概要１０年時間，１０年之內(nèi)硅負(fù)極鋰離子電池將是主流發(fā)展方向?！?/p>
為了更清晰地說明鋰離子電池的未來發(fā)展，崔屹給記者列出了一個路線圖：目前負(fù)極一般采用石墨，而正極采用鈷酸鋰、磷酸鐵鋰或者包括三種金屬的三元材料，三元鋰離子電池能量密度能達(dá)到３００瓦時每千克；接下來的硅負(fù)極三元鋰離子電池能量密度能提升至４００瓦時每千克；再之后，金屬鋰做負(fù)極的三元鋰離子電池能量密度將達(dá)到５００瓦時每千克；最終，金屬鋰做負(fù)極、硫做正極的鋰硫電池能量密度將能達(dá)到６００瓦時每千克或更高一點，是現(xiàn)在的約３倍。
“但金屬鋰負(fù)極會像樹相同長出枝晶，硫做正極也有不少問題，所以１０年后金屬鋰負(fù)極電池可能會有一點，但前景還很難說，可是硅負(fù)極電池產(chǎn)業(yè)化是有保證的。鋰硫電池要等到２０年后才有可能大規(guī)模化應(yīng)用，但也只是更多將應(yīng)用于車，而不是消費電子領(lǐng)域?！彼f。
那么，手機(jī)電池最終能實現(xiàn)永久待機(jī)嗎？崔屹說，與電動汽車更看重電池的重量不相同，手機(jī)更看重電池的體積，目前手機(jī)電池的體積能量密度為６００到６５０瓦時每升，而他實驗室研發(fā)的電池體積能量密度能達(dá)到７００到７５０瓦時每升?！拔夜烙嫶蟾盘岣叩剑保保埃巴邥r每升就到頭了。假如現(xiàn)在手機(jī)一天充一次電，那估計將來最多也就是２天充一次電。將來的一個發(fā)展方向就是快充，１０分鐘充電９０％，但那是另一個發(fā)展方向?！彼f。
記者請他預(yù)測未來２０年電池發(fā)展對日常生活的影響，他說，估計到２０３０年左右，電動汽車將會普及。北京到上海１２００公里的距離，假如現(xiàn)在要充４次電，屆時將只要充２次；跟電網(wǎng)連接的分布式儲能系統(tǒng)將會普及，電價將會便宜很多，煤發(fā)電廠大大減少，空氣污染程度降低，我們生活的環(huán)境將干凈很多。
原標(biāo)題：硅負(fù)極鋰離子電池快速走向產(chǎn)業(yè)化——訪斯坦福大學(xué)華人教授崔屹
