專訪:矽負極鋰電池快速走向產業化——訪史丹福大學華人教授崔屹

　　新華社舊金山１０月３日電 專訪：矽負極鋰電池快速走向產業化——訪史丹福大學華人教授崔屹

　　新華社記者林小春

　　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，史丹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、循環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。