崔屹：硅负极锂电池快速走向产业化

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。