崔屹：纳米科技有望解决电池安全、过滤PM2.5等问题

斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹

　　10月28日上午消息，今日2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会在京举办。会上，斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹发表演讲称，纳米科技在三个方面的应用包括高能锂电池、新型布料、过滤PM2.5。

　　崔屹表示，纳米技术做成的高能锂电池，能解决电池的安全问题，杜绝着火现象。经过12年研究，随着锂电池研究的不断深入，未来电动车会取代燃油车。

　　崔屹称，人体散热正常情况下50%靠红外线，但现在所有的布料是对红外线不透明的。我们研究发现聚乙烯是对红外线透明的，但是对可见光也是透明的，纳米孔的聚乙烯能阻挡可见光，让保鲜膜、垃圾袋变成了布料，衣服可回收变成纳米孔再变成布料，实现完全的可回收。

　　崔屹表示，3年前我们发现基本上所有的口罩对PM2.5都不管用。经过研究，发现纳米纤维技术过滤效果很好，纳米纤维技术空气阻力很低，产生的静电比较强，能把不带电的PM2.5颗粒完全的抓住。

　　以下为演讲实录：

　　谢谢组委会的邀请，参加未来论坛，首先祝贺我们三位获奖者，感谢组委会办这么好的会议。

　　纳米科技到底能够做什么，现在主要应用在能源和环境上面。刚才从杨教授的报告里，大家可以看到，我们确实面临的能源问题很大，到底怎么减少二氧化碳的排放，怎么能够远离化石能源，同时已经造成环境污染怎么办，水的污染，空气的污染，土壤的污染等等，我们要修复这些问题。我是12年前加入斯坦福大学，当时想从新材料纳米材料角度可以做什么，能源转换，太阳能电池，能源存储，锂电池，电动汽车等等，催化一系列的。

　　今天举几个例子跟各位分享一下，纳米材料、纳米科技能够产生的新技术，回到科学，产生新的技术，能够对能源和环境有所影响。

　　这是三个今天要挑的例子，高能锂电池，新型的布料，能够冷却身体，能够保温，PM2.5过滤，在北京，大家感受比较深。12年前不明显，今天看电池技术变得很明显，手机、无人机、电动汽车，太阳能、风能入网，大规模储能，太阳能、风能怎么储存下来，这是很重要的问题，带来很多的商业机会。分析一下，看现有的电池技术，我们处于什么样的状态。

　　技术不断地发展，能量密度一公斤能储存多少度电，220瓦时每公斤，我们想到500，一辆特斯拉的车开400公里，500瓦时每公斤，特斯拉可以开八百到一千公里，比烧油的车跑的还远，价格是不是还能降，砍掉一半，老百姓能付得起，循环寿命想要三千次，一万次，不是七年锂电池，手机用三年锂电池就不行了，能不能做15-25年，能不能充电速度不是一个小时到两个小时，十分钟以内，最后能不能做安全性，绝对安全，不要起火、爆炸。这里面有很多问题，也带来了对科学上，我们怎么做，提供了机会，我想这个还会持续很长时间，才能把所有问题都解决，但是意义非常重大，带来的是革命性的变化。从电动汽车，从能源，让可持续能源能够大量使用，变得很重要。

　　很重要的材料，把电池能量密度提高，500瓦时每公斤，现在用石墨，能不能用硅和金属锂，储存能量是石墨的10倍，这样的材料能够做好，电动车可以跑很远，生产一公斤提供的成本，提供的能量多了，存每度电的价格会掉下去。正极材料也一样，从现用的在磷酸铁锂，能不能用硫能不能做好，特别便宜，过去两年，中国电动汽车行业大规模起来，现在又回落，没有足够多的钴故做电动车，必须发展特别便宜的材料，这些很重要的材料，储存锂离子量很大，很多材料问题会出现。

　　拿硅做例子，原子结构变成颗粒，当锂充电，体积膨胀四倍，材料发生破裂，不稳定，过去30年想把硅用到锂电池上做不成。出现很大问题，用纳米科技办法很可能解决这些问题，我12年前加入斯坦福大学的时候，开始用纳米科技的办法，到底问题多大。

　　当锂离子充到中间，八百纳米直径，体积膨胀，撑爆了，材料破裂，导致材料用不好，但是小的颗粒也在充，小的能够存活，用这样的技术，要知道纳米材料小到一定程度不会破裂，八百会破，一百五十不会破，将来工业界想把硅负极用上，提供了很重要的参考，什么样大小颗粒可以用。

　　第二个问题可以显现，除了体积膨胀破裂，还有界面不稳定，因为充电的时候膨胀，放电的时候收缩，一个材料充电放电收缩四倍，不稳定，电池现在的技术解决不了这个问题。

　　我们大概十年前，从硅的纳米线开始，发现解决破裂问题，一大问题解决了，后来又发明了河壳结构的纳米线、空心结构，我们经历了11代材料设计，一个一个问题，包括界面问题也解决的差不多了。

　　怎么把现在发现的科学、材料上的新发现，以及技术上新发现进行产业化，2008年创办一个公司Amprius，在无锡市，现在电池做到的程度，全世界能力最高，290瓦时每公斤，现有220，第二条生产线是最先进的技术，现在放到美国，400瓦时每公斤，有这样的技术电动汽车，很快特斯拉尺寸的车，四百公里的每次充电可以到600公里以上，甚至七百公里。将来应用是全方位的，除了现在的手机、无人机，电动汽车，将来做大了之后，也可以进入大规模储能。

　　经过这么12年的研究，其实这个锂电池对将来的影响非常有前途，从现在的技术，我们的石墨和三元配比，MMC配比，硅负极进入，400瓦时每公斤，金属锂和锂硫电池，甚至600瓦时每公斤都成为可能。500瓦时每公斤的时候，基本上电动汽车可以取代所有燃油车，除了特别长距离的车难以取代之外，会马上发生。硫正极怎么做金属锂，材料科学上有很多挑战，纳米科学的办法有很多进展，成为可能性，可能会走10-15年，需要很多年轻人进入，才能把这一块问题完全解决掉。

　　回到电池安全性，这么高能量密度的电池，能不能完全解决安全性问题，过去10-20年电池出世，从索尼到三星，还有车的出事，波音飞机出事，电池安全性一直存在，所以需要大家从科学角度来想怎么解决这些问题。

　　最近我们实验室发明一个新技术，绿色灭火剂在高分子纤维里，放到锂电池的隔膜上，当电池发生短路，即将着火爆炸的时候，温度上升，高分子熔化，把灭火剂放到电池里全都释放出来，让它着不火，为什么不把灭火剂放到电解液里，一旦溶解之后，影响电池性能，离子导电率很差，电池没法用。纳米包附的办法，最后释放，可能彻底解决这个问题，我们的目标将来电池怎么用，发生怎么样的事故，坚决不着火，如果做到这样的话，每个人都会很放心地把电池放到所有的应用上。

　　第二个例子，最近的新发明，Thermal textile，上千年的历史，新发明可能会需要，现在全世界能源消耗，13%用在空调上面，冬天保暖，夏天制冷，但是空调的能量都在冷却，比如夏天的时候墙壁、空气，真正需要不是冷却整个建筑物，需要对个人进行空调，一个人其实相当于一百瓦的灯泡，在非运动状态下，怎么让这个人快速散热，夏天不那么冷，冬天不那么热。基本上每一度空调的调整，会让10%的能源能够省下来，到这样的地步。

　　研究人体散热50%靠红外线，室外运动靠汉蒸发，基本上靠红外线，不断地散发红外线，可以看到人体散热，现在变成人体散热怎么夏天快速往外散发，个人感觉到凉快，空调不要开这么冷。现在所有布料，面棉的、聚酯的对可见光不透明，没有一个布料可以做到红外线透明。很便宜的材料聚乙烯对红外线透明，是厨房用的保鲜膜，对可见光也透明，还是不能穿。

　　用了纳米科技办法，现在用是什么，聚乙烯变成纳米孔的聚乙烯，孔的大小是可见光波长，400-700纳米范围内，可见光进行散射。纳米孔做到聚乙烯，做成布料，测皮肤温度。

　　夏天要想凉快，最好的办法，什么别穿，表皮33度，穿上棉衣服变成37度，穿上纳米孔聚乙烯变成34度，以后保鲜膜变成布料，垃圾袋变成布料，穿完衣服回收再熔化，变成纳米孔，变成布料，实现完全回收，非常有意义。

　　PM2.5，三年前，把能买到的口罩买回斯坦福大学测，基本上所有口罩都不管用对PM2.5，吹的很牛，个别口罩管用，但是空气阻力还是很大的。能不能研发一种技术，把PM2.5过滤掉，看PM2.5从哪来，工业生产、烧煤、汽车尾气等等，现在工业过滤没有办法做PM2.5，这个提出了新需求。

三年前发展纳米纤维技术，过滤效率很高，99%，去除率很高，而且空气阻力很低，比现有市场上看到的技术低三倍，到底什么原因这么低，里面有很有意思的科学原理，纳米纤维直径很小，有一点静电，静电厂梯度很长，不带电的PM2.5颗粒完全抓住。后来跟朱棣文教授有一个合作，我告诉他我们做的效果很好，当时想原理是什么，这是他97年拿诺贝尔奖的原理，用电厂梯度把原子抓住冷冻，拿的诺贝尔奖，现在我们抓住的是PM2.5。

　　快速产业化，把技术用到中国，让老百姓用上，我们成立一个公司，叫FCM，有人问是不是跟3CM对着干，你们自己理解。FC非常好，可以应用到各种场景，口罩、过滤器、室内新风系统，学校、医院以及工业过滤等等。

　　回到能源环境，人类面临最大问题，人工光合作用非常重要，能源环境研究和技术、科学全方位，怎么产清洁能源，怎么储存、运输、用好，最后回收回来，对于环境有很小的影响，能保持住，我们的水是干净的，天是蓝的。

　　感谢我的研究团队，博士生、博士后，以及斯坦福大学的经费支持。谢谢大家！