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崔屹:纳米科技有望解决电池安全、过滤PM2.5等问题

崔屹:纳米科技有望解决电池安全、过滤PM2.5等问题0

斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹

新浪科技讯 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。(张泽宇)

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!

    

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