從無到有

　　很早以前，崔屹就意識到了這一趨勢。1998年從中國科學技術(shù)大學本科畢業(yè)后，他來到美國，在哈佛大學取得博士學位，后到加州伯克利大學從事博士后研究。期間，他在實驗室從事最前沿的納米材料的合成工作。當時還處于納米技術(shù)發(fā)展的早期，研究人員還在努力尋找可靠的方法以制造他們想要的材料，納米技術(shù)的應(yīng)用才剛剛起步。

　　“最開始，我并沒有去琢磨能量，我從來沒有做過電池方面的研究，” 崔屹講道。在勞倫斯伯克利國家實驗室主任Steven Chu的啟發(fā)下，崔屹走上了新的道路。在Steven Chu看來，納米技術(shù)為電池領(lǐng)域帶來了一個“新的抓手”，研究人員將不僅能在最小的尺度下控制材料的化學成分，還能控制材料中原子的排布，進而掌握其中所進行的化學反應(yīng)。

　　來到斯坦福后，崔屹很快將納米技術(shù)和電池的電化學結(jié)合起來，開始研究它們的實際應(yīng)用。

　　研究團隊曾嘗試了多種納米相關(guān)技術(shù)，以防止硅制負極的瓦解，防止致命的副反應(yīng)發(fā)生。

　　石墨可謂現(xiàn)今最理想的負極材料，其高導電性可以輕松地將電子傳遞到電路金屬導線中。但是在放電過程中，石墨收集鋰離子的能力則說不上優(yōu)秀。“搞定”一個鋰離子需要六個碳原子。這種偏弱的抓握力限制了電極中可容納的鋰含量，也就限制了電池能夠存儲的能量多少。

　　在這方面，硅的潛力更好。每個硅原子能夠“綁住”四個鋰離子。也就是說硅基負極所存儲的能量是石墨材料的10倍之多。幾十年來，電化學家一直在為此目標而不懈努力。

　　利用硅材料制造負極很簡單，問題在于這種負極無法穩(wěn)定存在。在充電過程中，鋰離子涌入并與硅原子結(jié)合，負極材料將膨脹三倍；而在放電過程中，鋰離子流出，負極材料又迅速萎縮。經(jīng)過幾次這樣的折磨，硅電極會斷裂并最終瓦解為細小的顆粒。負極，或者說整個電池就這么完蛋了。

　　崔屹認為他能夠解決這一問題。哈佛大學和加州伯克利的經(jīng)歷讓他明白，體相材料的屬性在納米尺度下常常會發(fā)生變化。首先，納米材料表面的原子比例較其內(nèi)部更高。同時表面原子所受相鄰原子的束縛更小，它們在受到壓力和應(yīng)力時可以自如地移動。就好比稀薄的鋁箔比起厚實的鋁材料可以很容易彎曲且不會斷裂。

　　2008年，崔屹提出用納米級硅線作為硅負極，這樣可以減緩導致體相硅負極瓦解的壓力和應(yīng)力。這條思路果然奏效，他和同事將研究成果發(fā)表在Nature Nanotechnology，展示了鋰離子經(jīng)硅納米線流入流出后，納米線幾乎沒有遭到破壞。甚至在經(jīng)過10輪充放電循環(huán)后，負極仍具有75%的理論儲能量。

　　遺憾的是，硅納米線比體相硅難以制備，也更為昂貴。于是崔屹與同事開始研究成本更低的硅負極材料。首先，他們利用球形硅納米顆粒來制備鋰離子電池負極。盡管這樣可能更便宜，但也引來了第二個問題：隨著鋰原子的出入，納米顆粒的收縮和膨脹會使粘合用的膠水開裂。液體電解質(zhì)會在顆粒間滲透，產(chǎn)生化學反應(yīng)，在硅納米顆粒表面形成一個非導電層，即固體電解質(zhì)相界面膜 （solid-electrolyte interphase， SEI）。這層膜越積越厚，最終會破壞負極的電荷收集能力。崔屹的學生這樣形容：“這就像是疤痕組織一樣。”

　　幾年后，崔屹團隊又嘗試了另一種納米技術(shù)。他們創(chuàng)造了蛋形納米粒子，將其包裹在微小的硅納米粒子 （即“蛋黃”） 周圍，這種高傳導性的碳外殼可以使鋰離子自由地通過。碳殼給硅原子提供了足夠的空間進行膨脹和收縮，同時保護它們免受電解質(zhì)形成SEI層的困擾。2012年發(fā)表在Nano Letters上的文章顯示，在經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，崔屹團隊這種蛋黃殼式 （yolk-shell） 電極仍具有74%的儲電能力。

　　兩年之后，他們有了進一步突破，這些蛋黃殼式的納米顆粒被組裝成微米級結(jié)構(gòu)，宛如一個微型石榴。這種新的硅納米球體提高了負極的鋰含量，也減少了電解質(zhì)中的副反應(yīng)。2014年2月，崔屹在Nature Nanotechnology發(fā)表了新的進展，他們的新材料在經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后，電池容量仍保持在97%。

　　今年早些時候，崔屹團隊公布了一個更加優(yōu)秀的方案。他們將體相硅材料敲打至微米級別，然后以石墨烯碳層包裹。制成的硅顆粒比之前的“石榴”更大，這種體積盡管在充放電后更容易瓦解，但石墨烯的包裹能夠阻止電解質(zhì)接觸到硅材料。同時，這很容易保持破碎顆粒的接觸，使其輕松將電荷傳遞到金屬導線。相關(guān)成果已發(fā)表在Nature Energy上，這種硅顆粒填充量更大，單位體積下動力更強，重要的是其成本也更為低廉。

　　劉俊表示：“他這次的工作真的找對了方向。”

　　在這一技術(shù)的驅(qū)動下，Amprius公司已經(jīng)籌集了1億美元，進行硅負極鋰離子電池的商業(yè)開發(fā)。這種電池成本更低，容量比傳統(tǒng)鋰離子電池高10%。目前他們已在國內(nèi)建廠生產(chǎn)手機電池，銷售量已經(jīng)超過100萬件。