Yi Cui利用納米技術控制電池內(nèi)化學反應進行的方式  圖片來源：Noah Berge

今年4月，一個下著蒙蒙細雨的灰暗清晨，yicui開著猩紅色特斯拉跑車，在美國硅谷的車流中迂回前行。身為斯坦福大學材料學家的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，隨著一項關鍵改進的到來，他預計這輛車會升級到新模式?！跋Ｍ覀兊碾姵貙⒊霈F(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——上升到更高的層次。他們有很多同伴。諸如松下、三星、lg化學、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電電解質(zhì)化學成分稍作調(diào)整的同行，cui正在將電池化學同納米技術“嫁接”起來。他正在建造結構精細的電池電極。和標準電極相比，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?！八诮梃b納米技術的創(chuàng)新成果，并利用其控制化學?！瘪R里蘭大學帕克分校材料學家和電池專家weiluo表示。

電池技術難飛躍

實現(xiàn)電池技術的飛躍難于上青天。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，當下的電動汽車還有很多待改進之處。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。尼桑的聆風要便宜很多，標價約為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?！眂ui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》的論文中，cui和同事證實，當鋰離子進出硅納米線時，納米線基本未受損傷。即便在10次重復的充放電之后，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電層中的化學反應。這個非導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?！斑@有點像瘢痕組織?！眂ui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電性碳殼包圍“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，并且能保護它們不受電解質(zhì)以及形成sei層的反應的影響。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。在2014年2月出版的《自然—納米技術》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。