Yi Cui利用納米技術(shù)控制電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方式  圖片來(lái)源：Noah Berge

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?！跋Ｍ覀兊碾姵貙⒊霈F(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)?！八诮梃b納米技術(shù)的創(chuàng)新成果，并利用其控制化學(xué)?！瘪R里蘭大學(xué)帕克分校材料學(xué)家和電池專(zhuān)家weiluo表示。

電池技術(shù)難飛躍

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?！半妱?dòng)汽車(chē)的時(shí)代正在到來(lái)?！眂ui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?！眂ui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暗包S”，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。