電池技術(shù)難飛躍 納米技術(shù)成了“拯救者”

　　導(dǎo)讀：今年4月，一個(gè)下著蒙蒙細(xì)雨的灰暗清晨，yicui開(kāi)著猩紅色特斯拉跑車(chē)，在美國(guó)硅谷的車(chē)流中迂回前行。身為斯坦福大學(xué)材料學(xué)家的cui，正前去視察其在6年前成立的電池公司——安普瑞斯。并非巧合的是，他駕駛著一輛電池驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)。不過(guò)，這輛車(chē)是租來(lái)而不是購(gòu)買(mǎi)的。cui說(shuō)，幾年后，隨著一項(xiàng)關(guān)鍵改進(jìn)的到來(lái)，他預(yù)計(jì)這輛車(chē)會(huì)升級(jí)到新模式。“希望我們的電池將出現(xiàn)在里面。”
　　
　　cui和安普瑞斯公司正試圖將鋰離子電池——如今最好的商用技術(shù)——上升到更高的層次。他們有很多同伴。諸如松下、三星、lg化學(xué)、蘋(píng)果和特斯拉等大公司，都在競(jìng)相讓電池變得更小、更輕、更強(qiáng)大。不過(guò)，在這些權(quán)力玩家中，cui是一個(gè)強(qiáng)有力的先鋒。
　　
　　有別于其他聚焦對(duì)電池電極或者其導(dǎo)電電解質(zhì)化學(xué)成分稍作調(diào)整的同行，cui正在將電池化學(xué)同納米技術(shù)“嫁接”起來(lái)。他正在建造結(jié)構(gòu)精細(xì)的電池電極。和標(biāo)準(zhǔn)電極相比，這些電極能更加快速地大批量吸收并釋放攜帶電荷的離子，而無(wú)須產(chǎn)生令人煩惱的副反應(yīng)。“他正在借鑒納米技術(shù)的創(chuàng)新成果，并利用其控制化學(xué)。”馬里蘭大學(xué)帕克分校材料學(xué)家和電池專(zhuān)家weiluo表示。
　　
　　實(shí)現(xiàn)電池技術(shù)的飛躍難于上青天。即便是硅谷最初始的創(chuàng)新成果——電腦芯片，也在過(guò)去幾十年間獲得了指數(shù)級(jí)的性能改善，而電池的發(fā)展一直滯后。當(dāng)下最好的鋰離子電池每升持有約700瓦時(shí)能量。從能量密度上看，這是出自上世紀(jì)80年代中期的鎳鎘蓄電池的5倍左右——雖然還不賴(lài)，但并非翻天覆地的變化。過(guò)去10年間，最好的商用電池的能量密度翻了一番。
　　
　　電池用戶(hù)想要更多。市場(chǎng)調(diào)研公司——透明度市場(chǎng)研究和taiyou研究發(fā)布的兩份最新報(bào)告顯示，到2020年，僅鋰離子電池市場(chǎng)每年就有望達(dá)到300億美元的規(guī)模。諸如特斯拉、通用汽車(chē)、尼桑等汽車(chē)公司的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量增加，部分造成了上述市場(chǎng)規(guī)模的急劇擴(kuò)大。
　　
　　不過(guò)，當(dāng)下的電動(dòng)汽車(chē)還有很多待改進(jìn)之處。對(duì)于特斯拉models來(lái)說(shuō)，取決于具體款式，僅70～90瓦時(shí)的電池便重達(dá)600公斤。同時(shí)，雖然整輛車(chē)的價(jià)格超出10萬(wàn)美元，但電池的價(jià)值占到約3萬(wàn)美元。然而，電池充電一次，僅能讓汽車(chē)跑400公里左右。這比很多傳統(tǒng)汽車(chē)遜色很多。尼桑的聆風(fēng)要便宜很多，標(biāo)價(jià)約為2.9萬(wàn)美元。不過(guò)，由于電池組較小，它的最大行程只有特斯拉的1/3左右。
　　
　　改善電池會(huì)產(chǎn)生顯著影響。使電池能量密度翻倍，會(huì)讓汽車(chē)公司在將電池大小和成本減半的情況下保持行駛里程不變，或者電池大小不變，汽車(chē)最大行程翻倍。“電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)代正在到來(lái)。”cui表示。不過(guò)，為讓電動(dòng)汽車(chē)流行起來(lái)，“我們不得不做得更好”。
　　
　　納米“拯救者”
　　
　　2008年，cui認(rèn)為，由納米級(jí)硅線(xiàn)制成的硅陽(yáng)極或許能緩解令塊狀硅陽(yáng)極變成粉末的壓力。這一策略奏效了。在一篇發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》的論文中，cui和同事證實(shí)，當(dāng)鋰離子進(jìn)出硅納米線(xiàn)時(shí)，納米線(xiàn)基本未受損傷。即便在10次重復(fù)的充放電之后，陽(yáng)極仍保留了75%的理論儲(chǔ)能能力。
　　
　　不幸的是，和塊狀硅相比，制造硅納米線(xiàn)要困難且昂貴很多。cui和同事開(kāi)始設(shè)計(jì)制造更廉價(jià)硅陽(yáng)極的方法。首先，他們找到了用球形硅納米顆粒制造鋰離子電池陽(yáng)極的方法。雖然可能會(huì)更廉價(jià)，但它們面臨著第二個(gè)問(wèn)題：在鋰原子進(jìn)出時(shí)，納米顆粒的收縮和膨脹在將其綁定到一起的黏合劑中打開(kāi)了裂隙。液態(tài)電解質(zhì)在顆粒間滲出，從而驅(qū)動(dòng)了將其包裹在一個(gè)非導(dǎo)電層中的化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)非導(dǎo)電層被稱(chēng)為固體電解質(zhì)膜（sei），并且會(huì)越長(zhǎng)越厚，最終干擾陽(yáng)極收集電荷的能力。“這有點(diǎn)像瘢痕組織。”cui實(shí)驗(yàn)室的研究生yuzhangli介紹說(shuō)。
　　
　　幾年后，cui和同事偶然發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)納米技術(shù)解決方案。他們創(chuàng)建了像雞蛋一樣的納米顆粒，并且用鋰離子能輕易通過(guò)的高導(dǎo)電性碳?xì)ぐ鼑?ldquo;蛋黃”，即每個(gè)微小硅納米顆粒。外殼為“蛋黃”中的硅原子提供了膨脹和收縮的足夠空間，并且能保護(hù)它們不受電解質(zhì)以及形成sei層的反應(yīng)的影響。在一篇2012年發(fā)表于《納米快報(bào)》的論文中，cui團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱(chēng)，在1000次循環(huán)充放電后，他們的“蛋黃—蛋殼”陽(yáng)極保留了74%的儲(chǔ)能能力。
　　
　　兩年后，他們做得更好。cui和同事將成捆的“蛋黃—蛋殼”納米顆粒組裝成類(lèi)似于微型石榴的微米尺度結(jié)合物。將硅球聚攏增加了陽(yáng)極的鋰存儲(chǔ)能力，并且減少了同電解質(zhì)發(fā)生的多余副反應(yīng)。在2014年2月出版的《自然—納米技術(shù)》雜志上，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱(chēng)，基于新材料的電池在1000次循環(huán)充放電后，保留了97%的初始儲(chǔ)能能力。
　　
　　今年年初，cui和同事報(bào)告了一種甚至勝過(guò)其復(fù)雜“石榴”組件的解決方案。他們簡(jiǎn)單地將大的硅顆粒錘打至微米尺度，然后將它們包裹進(jìn)由石墨烯制成的碳薄片中。被錘打的顆粒在“石榴”中繞成比硅球還大的團(tuán)，并且大到在幾次充電循環(huán)后開(kāi)始破裂。不過(guò)，石墨烯包裹物會(huì)阻止電解質(zhì)成分到達(dá)硅那里。同時(shí)，它還靈活到足以同破裂的顆粒保持聯(lián)系，并因此將它們的電荷攜帶至金屬線(xiàn)。更重要的是，該團(tuán)隊(duì)在《自然—能源》雜志上報(bào)告稱(chēng)，較大的硅顆粒物會(huì)將更多質(zhì)量和更多電力“塞進(jìn)”特定的體積中。同時(shí)，和“石榴”相比，制造它們要廉價(jià)且簡(jiǎn)單很多。
　　
　　聚焦“戰(zhàn)斗”的另一半
　　
　　目前，cui正在將視野放到硅以外。一個(gè)聚集點(diǎn)是用純的鋰金屬制造陽(yáng)極。鋰金屬一直被視為終極的陽(yáng)極材料，因?yàn)楹凸柘啾龋鼡碛袃?chǔ)存更多能量的潛力，并且要輕很多。
　　
　　不過(guò)，這里面也有一些重要問(wèn)題。sei層通常在鋰金屬的電極附近形成，而這其實(shí)是個(gè)好消息：鋰離子能穿透這一層，因此sei層在鋰陽(yáng)極附近充當(dāng)了保護(hù)膜的作用。不過(guò)，隨著電池循環(huán)充放電，這種金屬會(huì)和硅顆粒一樣膨脹收縮，同時(shí)脈沖會(huì)打破sei層。隨后，鋰離子在裂隙中堆積，導(dǎo)致被稱(chēng)為枝晶的金屬尖狀物從電極處生長(zhǎng)出來(lái)。“這些枝晶會(huì)刺穿電池隔板，令電池短路，并且使其著火。”cui團(tuán)隊(duì)的另一名研究生yayuanliu介紹說(shuō)。
　　
　　傳統(tǒng)方法并未解決該問(wèn)題。不過(guò)，納米技術(shù)或許可以。在一種阻止枝晶形成的方法中，cui的團(tuán)隊(duì)通過(guò)用一層相互連接的納米碳球體包裹陽(yáng)極，使sei層保持了穩(wěn)定。在另一種方法中，他們創(chuàng)建了一種新的“蛋黃—蛋殼”顆粒物。這種顆粒物比碳?xì)ご蠛芏?，并且其?nèi)部由金納米顆粒制成。當(dāng)納米膠囊被制成陽(yáng)極時(shí)，金會(huì)吸引鋰離子；“蛋殼”為鋰提供了收縮和膨脹的空間，而無(wú)須讓sei層發(fā)生破裂，因此枝晶不會(huì)形成。
　　
　　在制造更好的電池方面，改善陽(yáng)極只是這場(chǎng)“戰(zhàn)斗”的一半。cui團(tuán)隊(duì)還采用一種受納米啟發(fā)的類(lèi)似方法改進(jìn)了陰極材料，尤其是硫。和位于陽(yáng)極一端的硅類(lèi)似，硫一直被視為陰極的理想選擇。每個(gè)硫原子能容納一對(duì)鋰，從而使其和傳統(tǒng)陰極相比原則上可將能量?jī)?chǔ)存增加若干倍變成可能?；蛟S同樣重要的是，硫非常便宜。不過(guò)，它也存在問(wèn)題。硫是一種相對(duì)中規(guī)中矩的導(dǎo)電體，并且會(huì)和普通電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成在幾次充放電循環(huán)后能消耗電池壽命的化學(xué)物質(zhì)。與此同時(shí)，硫陰極往往會(huì)儲(chǔ)藏電荷，而不是在放電期間將它們拋棄。
　　
　　cui團(tuán)隊(duì)尋求的是一種納米解決方法。他們將硫顆粒包在高導(dǎo)電性的二氧化鈦外殼中，從而使電池能力較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提高了5倍，并且能防止硫的副產(chǎn)品損害電池。研究人員還制造了基于硫的“石榴”版本，并且將硫困在長(zhǎng)且薄的納米纖維內(nèi)。這些和其他創(chuàng)新不僅提升了電池能力，還使庫(kù)侖效率（電池在多大程度上釋放電荷）從86%提高到99%。“現(xiàn)在，我們?cè)陔姌O兩端均擁有了很強(qiáng)的能力。”cui表示。