在現代科學體系內, 能開闢一個重要研究領域的科學家並不多, 斯坦福大學材料科學與工程系教授崔屹是其中一個. 2016年, 美國權威學術雜誌《科學》發表長篇通訊, 專門介紹崔屹和他對矽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, 矽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.
崔屹曾先後在中國科大, 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' .
那麼, 目前主流的鋰離子電池發展到了什麼階段? 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矽谷科技峰會上採訪了崔屹, 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於正極和負極材料, 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, 他開始研究利用矽取代碳, 因為矽在單位重量上儲存鋰離子的量是碳的10倍, '如果矽負極能取代碳負極, 那麼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裡, 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, 矽負極面臨的一個重大挑戰, 是它在充放電過程中容易破裂. 藉助納米技術, 崔屹在解決這個問題上做出一系列嘗試, 目前研製出兩款矽負極電池產品, 一個能量密度為300瓦時每千克, 已經在中國大規模生產, 並向中興等手機生產廠商供貨, 其成本, 迴圈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.
'在我做了矽負極之後, 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, 市場上將先出現矽碳結合的負極材料, 然後矽的比例越來越高, 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年之內矽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: 目前負極一般採用石墨, 而正極採用鈷酸鋰, 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; 接下來的矽負極三元鋰電池能量密度能提升至400瓦時每千克; 再之後, 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年後金屬鋰負極電池可能會有一點, 但前景還很難說, 可是矽負極電池產業化是有保證的. 鋰硫電池要等到20年後才有可能大規模化應用, 但也只是更多將應用於車, 而不是消費電子領域. ' 他說.
那麼, 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公裡的距離, 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, 空氣汙染程度降低, 我們生活的環境將乾淨很多.
