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，一個下著蒙蒙細(xì)雨的灰暗清晨，yicui開著猩紅色特斯拉跑車，在美國硅谷的車流中迂回前行。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)動的汽車。不過，這輛車是租來而不是購買的。cui說，幾年后，隨著一項關(guān)鍵改進(jìn)的到來，他預(yù)計這輛車會升級到新模式。“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)、蘋果和特斯拉等大公司，都在競相讓電池變得更小、更輕、更強大。不過，在這些權(quán)力玩家中，cui是一個強有力的先鋒。
　　
　　有別于其他聚焦對電池電極或者其導(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。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)家和電池專家weiluo表示。
　　
　　實現(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，也在過去幾十年間獲得了指數(shù)級的性能改善，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，但并非翻天覆地的變化。過去10年間，最好的商用電池的能量密度翻了一番。
　　
　　電池用戶想要更多。市場調(diào)研公司——透明度市場研究和taiyou研究發(fā)布的兩份最新報告顯示，到2020年，僅鋰離子電池市場每年就有望達(dá)到300億美元的規(guī)模。諸如特斯拉、通用汽車、尼桑等汽車公司的電動汽車產(chǎn)量增加，部分造成了上述市場規(guī)模的急劇擴大。
　　
　　不過，當(dāng)下的電動汽車還有很多待改進(jìn)之處。對于特斯拉models來說，取決于具體款式，僅70～90瓦時的電池便重達(dá)600公斤。同時，雖然整輛車的價格超出10萬美元，但電池的價值占到約3萬美元。然而，電池充電一次，僅能讓汽車跑400公里左右。這比很多傳統(tǒng)汽車遜色很多。尼桑的聆風(fēng)要便宜很多，標(biāo)價約為2.9萬美元。不過，由于電池組較小，它的最大行程只有特斯拉的1/3左右。
　　
　　改善電池會產(chǎn)生顯著影響。使電池能量密度翻倍，會讓汽車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，汽車最大行程翻倍。“電動汽車的時代正在到來。”cui表示。不過，為讓電動汽車流行起來，“我們不得不做得更好”。
　　
　　納米“拯救者”
　　
　　2008年，cui認(rèn)為，由納米級硅線制成的硅陽極或許能緩解令塊狀硅陽極變成粉末的壓力。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，當(dāng)鋰離子進(jìn)出硅納米線時，納米線基本未受損傷。即便在10次重復(fù)的充放電之后，陽極仍保留了75%的理論儲能能力。
　　
　　不幸的是，和塊狀硅相比，制造硅納米線要困難且昂貴很多。cui和同事開始設(shè)計制造更廉價硅陽極的方法。首先，他們找到了用球形硅納米顆粒制造鋰離子電池陽極的方法。雖然可能會更廉價，但它們面臨著第二個問題：在鋰原子進(jìn)出時，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了裂隙。液態(tài)電解質(zhì)在顆粒間滲出，從而驅(qū)動了將其包裹在一個非導(dǎo)電層中的化學(xué)反應(yīng)。這個非導(dǎo)電層被稱為固體電解質(zhì)膜（sei），并且會越長越厚，最終干擾陽極收集電荷的能力。“這有點像瘢痕組織。”cui實驗室的研究生yuzhangli介紹說。
　　
　　幾年后，cui和同事偶然發(fā)現(xiàn)了另一個納米技術(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的高導(dǎo)電性碳?xì)ぐ鼑?ldquo;蛋黃”，即每個微小硅納米顆粒。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》的論文中，cui團隊報告稱，在1000次循環(huán)充放電后，他們的“蛋黃—蛋殼”陽極保留了74%的儲能能力。
　　
　　兩年后，他們做得更好。cui和同事將成捆的“蛋黃—蛋殼”納米顆粒組裝成類似于微型石榴的微米尺度結(jié)合物。將硅球聚攏增加了陽極的鋰存儲能力，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，該團隊報告稱，基于新材料的電池在1000次循環(huán)充放電后，保留了97%的初始儲能能力。
　　
　　今年年初，cui和同事報告了一種甚至勝過其復(fù)雜“石榴”組件的解決方案。他們簡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，并且大到在幾次充電循環(huán)后開始破裂。不過，石墨烯包裹物會阻止電解質(zhì)成分到達(dá)硅那里。同時，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。更重要的是，該團隊在《自然—能源》雜志上報告稱，較大的硅顆粒物會將更多質(zhì)量和更多電力“塞進(jìn)”特定的體積中。同時，和“石榴”相比，制造它們要廉價且簡單很多。
　　
　　聚焦“戰(zhàn)斗”的另一半
　　
　　目前，cui正在將視野放到硅以外。一個聚集點是用純的鋰金屬制造陽極。鋰金屬一直被視為終極的陽極材料，因為和硅相比，它擁有儲存更多能量的潛力，并且要輕很多。
　　
　　不過，這里面也有一些重要問題。sei層通常在鋰金屬的電極附近形成，而這其實是個好消息：鋰離子能穿透這一層，因此sei層在鋰陽極附近充當(dāng)了保護(hù)膜的作用。不過，隨著電池循環(huán)充放電，這種金屬會和硅顆粒一樣膨脹收縮，同時脈沖會打破sei層。隨后，鋰離子在裂隙中堆積，導(dǎo)致被稱為枝晶的金屬尖狀物從電極處生長出來。“這些枝晶會刺穿電池隔板，令電池短路，并且使其著火。”cui團隊的另一名研究生yayuanliu介紹說。
　　
　　傳統(tǒng)方法并未解決該問題。不過，納米技術(shù)或許可以。在一種阻止枝晶形成的方法中，cui的團隊通過用一層相互連接的納米碳球體包裹陽極，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)納米膠囊被制成陽極時，金會吸引鋰離子；“蛋殼”為鋰提供了收縮和膨脹的空間，而無須讓sei層發(fā)生破裂，因此枝晶不會形成。
　　
　　在制造更好的電池方面，改善陽極只是這場“戰(zhàn)斗”的一半。cui團隊還采用一種受納米啟發(fā)的類似方法改進(jìn)了陰極材料，尤其是硫。和位于陽極一端的硅類似，硫一直被視為陰極的理想選擇。每個硫原子能容納一對鋰，從而使其和傳統(tǒng)陰極相比原則上可將能量儲存增加若干倍變成可能。或許同樣重要的是，硫非常便宜。不過，它也存在問題。硫是一種相對中規(guī)中矩的導(dǎo)電體，并且會和普通電解質(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，硫陰極往往會儲藏電荷，而不是在放電期間將它們拋棄。
　　
　　cui團隊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，我們在電極兩端均擁有了很強的能力。”cui表示。