在现代科学体系内, 能开辟一个重要研究领域的科学家并不多, 斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹是其中一个. 2016年, 美国权威学术杂志《科学》发表长篇通讯, 专门介绍崔屹和他对硅负极锂电池发展做出的开创性贡献. 崔屹日前接受新华社记者专访时说, 硅负极锂电池正快速走向产业化, 预计10年内是锂电池主流发展方向.
崔屹曾先后在中国科大, 哈佛大学, 加州大学伯克利分校学习, 2005年到斯坦福工作. 他的一个主要研究方向是利用纳米技术提高电池的性能. 在这个领域, 崔屹面临着松下, 三星, 苹果以及特斯拉等知名企业科研团队的强力竞争, 但正如《科学》通讯文章所言, 他 '依然是一支开创性力量' , 对电池发展的贡献 '巨大' .
那么, 目前主流的锂离子电池发展到了什么阶段? 接下来向何处去? 永久待机的手机电池能实现吗? 带着这些问题, 记者在旧金山举行的中国科大硅谷科技峰会上采访了崔屹, 他也是此次主题为 '未来科技二十年' 峰会的主席.
崔屹表示, 电池最重要的一个指标是能量密度, 也就是单位重量或单位体积所能储存的能量. 目前电池重量能量密度为一般200到250瓦时每千克, 但性能提升相对缓慢. 提升这一性能关键在于正极和负极材料, 主要是负极材料.
他说, 目前锂离子电池主流正极材料是金属氧化物, 而主流负极材料是石墨, 也就是碳. 从10年前开始, 他开始研究利用硅取代碳, 因为硅在单位重量上储存锂离子的量是碳的10倍, '如果硅负极能取代碳负极, 那么重量能量密度很有可能达到400瓦时每千克, 差不多翻倍' .
当今世界, 发展电动汽车已成为大势所趋, 但绝大部分电动汽车的续航能力还只有两三百公里, 跟传统汽车相比尚有差距. 如果电池能量密度提高一倍, 就可以在汽车续航能力不变的情况下, 将电池体积和成本减半; 或者选择保持电池体积不变, 让续航能力翻倍. '那就不得了了, ' 崔屹说, '充一次电比燃油车开得还远. '
但是, 硅负极面临的一个重大挑战, 是它在充放电过程中容易破裂. 借助纳米技术, 崔屹在解决这个问题上做出一系列尝试, 目前研制出两款硅负极电池产品, 一个能量密度为300瓦时每千克, 已经在中国大规模生产, 并向中兴等手机生产厂商供货, 其成本, 循环寿命和安全性都与传统电池相当; 另一个能量密度为400瓦时每千克, 目前只能小规模生产, 成本仍需继续降低.
'在我做了硅负极之后, 这个领域成长很快, 许多电池公司都在研究这个, 希望利用纳米科学的办法来发展下一代锂电池材料, ' 他说, '我的预测是, 市场上将先出现硅碳结合的负极材料, 然后硅的比例越来越高, 能量密度也越来越高, 整个产业的发展大概需要10年时间, 10年之内硅负极锂电池将是主流发展方向. '
为了更清晰地说明锂电池的未来发展, 崔屹给记者列出了一个路线图: 目前负极一般采用石墨, 而正极采用钴酸锂, 磷酸铁锂或者包括三种金属的三元材料, 三元锂电池能量密度能达到300瓦时每千克; 接下来的硅负极三元锂电池能量密度能提升至400瓦时每千克; 再之后, 金属锂做负极的三元锂电池能量密度将达到500瓦时每千克; 最终, 金属锂做负极, 硫做正极的锂硫电池能量密度将能达到600瓦时每千克或更高一点, 是现在的约3倍.
'但金属锂负极会像树一样长出枝晶, 硫做正极也有不少问题, 所以10年后金属锂负极电池可能会有一点, 但前景还很难说, 可是硅负极电池产业化是有保证的. 锂硫电池要等到20年后才有可能大规模化应用, 但也只是更多将应用于车, 而不是消费电子领域. ' 他说.
那么, 手机电池最终能实现永久待机吗? 崔屹说, 与电动汽车更看重电池的重量不一样, 手机更看重电池的体积, 目前手机电池的体积能量密度为600到650瓦时每升, 而他实验室研发的电池体积能量密度能达到700到750瓦时每升. '我估计大概提高到1100瓦时每升就到头了. 如果现在手机一天充一次电, 那估计将来最多也就是2天充一次电. 将来的一个发展方向就是快充, 10分钟充电90% , 但那是另一个发展方向. ' 他说.
记者请他预测未来20年电池发展对日常生活的影响, 他说, 估计到2030年左右, 电动汽车将会普及. 北京到上海1200公里的距离, 如果现在要充4次电, 届时将只要充2次; 跟电网连接的分布式储能系统将会普及, 电价将会便宜很多, 煤发电厂大大减少, 空气污染程度降低, 我们生活的环境将干净很多.
