斯坦福大學華人教授崔屹：硅負極鋰電池快速走向產業化 2030年這種電池會在電動車上普及
時間:2017-10-04 15:38來源:新華社 作者:林小春
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在現代科學體系內，能開辟一個重要研究領域的科學家并不多，斯坦福大學材料科學與工程系教授崔屹是其中一個。2016年，美國權威學術雜志《科學》發表長篇通訊，專門介紹崔屹和他對硅負極鋰電池發展做出的開創性貢獻。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業化，預計10年內是鋰電池主流發展方向。
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提高電池的性能。在這個領域，崔屹面臨著松下、三星、蘋果以及特斯拉等知名企業科研團隊的強力競爭，但正如《科學》通訊文章所言，他“依然是一支開創性力量”，對電池發展的貢獻“巨大”。
那么，目前主流的鋰離子電池發展到了什么階段？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，發展電動汽車已成為大勢所趨，但絕大部分電動汽車的續航能力還只有兩三百公里，跟傳統汽車相比尚有差距。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，是它在充放電過程中容易破裂。借助納米技術，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品，一個能量密度為300瓦時每千克，已經在中國大規模生產，并向中興等手機生產廠商供貨，其成本、循環壽命和安全性都與傳統電池相當；另一個能量密度為400瓦時每千克，目前只能小規模生產，成本仍需繼續降低。
“在我做了硅負極之后，這個領域成長很快，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展下一代鋰電池材料，”他說，“我的預測是，市場上將先出現硅碳結合的負極材料，然后硅的比例越來越高，能量密度也越來越高，整個產業的發展大概需要10年時間，10年之內硅負極鋰電池將是主流發展方向。”
為了更清晰地說明鋰電池的未來發展，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，可是硅負極電池產業化是有保證的。鋰硫電池要等到20年后才有可能大規模化應用，但也只是更多將應用于車，而不是消費電子領域。”他說。
那么，手機電池最終能實現永久待機嗎？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。將來的一個發展方向就是快充，10分鐘充電90%，但那是另一個發展方向。”他說。
記者請他預測未來20年電池發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，如果現在要充4次電，屆時將只要充2次；跟電網連接的分布式儲能系統將會普及，電價將會便宜很多，煤發電廠大大減少，空氣污染程度降低，我們生活的環境將干凈很多。
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