崔屹：硅負極鋰電池快速走向產(chǎn)業(yè)化

在現(xiàn)代科學體系內(nèi)，能開辟一個重要研究領(lǐng)域的科學家并不多，斯坦福大學材料科學與工程系教授崔屹是其中一個。2016年，美國權(quán)威學術(shù)雜志《科學》發(fā)表長篇通訊，專門介紹崔屹和他對硅負極鋰電池發(fā)展做出的開創(chuàng)性貢獻。崔屹日前接受新華社記者專訪時說，硅負極鋰電池正快速走向產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計10年內(nèi)是鋰電池主流發(fā)展方向。

崔屹曾先后在中國科大、哈佛大學、加州大學伯克利分校學習，2005年到斯坦福工作。他的一個主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，崔屹面臨著松下、三星、蘋果以及特斯拉等知名企業(yè)科研團隊的強力競爭，但正如《科學》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“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?永久待機的手機電池能實現(xiàn)嗎?帶著這些問題，記者在舊金山舉行的中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)鍵在于正極和負極材料，主要是負極材料。

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，“如果硅負極能取代碳負極，那么重量能量密度很有可能達到400瓦時每千克，差不多翻倍”。

當今世界，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。如果電池能量密度提高一倍，就可以在汽車續(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。“那就不得了了，”崔屹說，“充一次電比燃油車開得還遠。”

但是，硅負極面臨的一個重大挑戰(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極電池產(chǎn)品，一個能量密度為300瓦時每千克，已經(jīng)在中國大規(guī)模生產(chǎn)，并向中興等手機生產(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;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，希望利用納米科學的辦法來發(fā)展下一代鋰電池材料，”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)展大概需要10年時間，10年之內(nèi)硅負極鋰電池將是主流發(fā)展方向。”

為了更清晰地說明鋰電池的未來發(fā)展，崔屹給記者列出了一個路線圖：目前負極一般采用石墨，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，三元鋰電池能量密度能達到300瓦時每千克;接下來的硅負極三元鋰電池能量密度能提升至400瓦時每千克;再之后，金屬鋰做負極的三元鋰電池能量密度將達到500瓦時每千克;最終，金屬鋰做負極、硫做正極的鋰硫電池能量密度將能達到600瓦時每千克或更高一點，是現(xiàn)在的約3倍。

“但金屬鋰負極會像樹一樣長出枝晶，硫做正極也有不少問題，所以10年后金屬鋰負極電池可能會有一點，但前景還很難說，可是硅負極電池產(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)?；瘧?yīng)用，但也只是更多將應(yīng)用于車，而不是消費電子領(lǐng)域。”他說。

那么，手機電池最終能實現(xiàn)永久待機嗎?崔屹說，與電動汽車更看重電池的重量不一樣，手機更看重電池的體積，目前手機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到700到750瓦時每升。“我估計大概提高到1100瓦時每升就到頭了。如果現(xiàn)在手機一天充一次電，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。”他說。

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，如果現(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。