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崔屹:硅負極鋰電池快速走向產業化

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年08月24日  

在現代科學體系內,能開辟一個重要研究領域的科學家并不多,斯坦福大學材料科學和工程系教授崔屹是其中一個。2016年,美國權威學術雜志《科學》發表長篇通訊,專門介紹崔屹和他對硅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,硅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。


崔屹曾先后在我國科大、哈佛大學、加州大學伯克利分校學習,2005年到斯坦福工作。他的一個重要研究方向是利用納米技術提高電池的性能。在這個領域,崔屹面對著松下、三星、蘋果以及TSLA等知名公司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"。


那么,目前主流的鋰電池發展到了什么階段?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,記者在舊金山舉辦的我國科大硅谷科技峰會上采訪了崔屹,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于正極和負極材料,重要是負極材料。


他說,目前鋰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,他開始研究利用硅取代碳,因為硅在單位重量上儲存鋰離子的量是碳的10倍,"假如硅負極能取代碳負極,那么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里,跟傳統汽車相比尚有差距。假如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,硅負極面對的一個重大挑戰,是它在充放電過程中容易破裂。借助納米技術,崔屹在解決這個問題上做出一系列嘗試,目前研制出兩款硅負極電池產品,一個能量密度為300瓦時每千克,已經在我國大規模生產,并向中興等手機生產廠商供貨,其成本、循環壽命和安全性都和傳統電池相當;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。


"在我做了硅負極之后,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,市場上將先出現硅碳結合的負極材料,然后硅的比例越來越高,能量密度也越來越高,整個產業的發展大概要10年時間,10年之內硅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:目前負極一般采用石墨,而正極采用鈷酸鋰、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;接下來的硅負極三元鋰電池能量密度能提升至400瓦時每千克;再之后,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相同長出枝晶,硫做正極也有不少問題,所以10年后金屬鋰負極電池可能會有一點,但前景還很難說,可是硅負極電池產業化是有保證的。鋰硫電池要等到20年后才有可能大規模化應用,但也只是更多將應用于車,而不是消費電子領域。"他說。


那么,手機電池最終能實現永久待機嗎?崔屹說,和電動汽車更看重電池的重量不相同,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。假如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公里的距離,假如現在要充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,空氣污染程度降低,我們生活的環境將干凈很多。


原標題:硅負極鋰電池快速走向產業化——訪斯坦福大學華人教授崔屹

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