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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

科技资讯  2017年10月29日 16:46  来源:新浪科技
摘要:新浪科技讯10月28日上午消息,今天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。
斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹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,今天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。

  今日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。

  这是三个今日要挑的例子,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,今日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,非常钟以内,最后能不能做安全系数,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,但是意义十分重大,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十分有前途,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。

  回到电池安全系数,这么高能量密度的电池,能不能完全解决安全系数问题,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,电池安全系数一直存在,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,例如夏天的时候墙壁、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,十分有意义。

  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十分好,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,人工光合作用十分重要,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!