授课老师：崔屹，纳米材料科学家，斯坦福大学教授。2004年入选世界顶尖100名青年发明家；2005年进入斯坦福大学材料科学与工程系任教，先后担任助理教授、副教授、教授，2014年获得首届纳米能源奖，2017年获得布拉瓦尼克青年科学大奖之物质科学与工程技术奖。其主要研究内容为纳米材料在能量存储、光伏器件、拓扑绝缘体、生物及环境等方向的应用。
高能锂电池材料
这些年来，电子产品尤其是电动汽车的发展，慢慢演变为电池技术的竞争与挑战。
电动汽车单体电池的价格从最开始300美元/度慢慢降到120美元/度，但价格依然偏高，能不能降到100美元/度以内？
目前电池循环寿命约为7年，可不可以做到更长，延长到25年？
充电一般需要3个小时，快充需要1个小时，能不能缩减到15分钟？
不管是电池的能量密度、循环寿命、使用成本、充电速度以及安全性等各个方面，电池革命都是一个全世界面临的挑战。
电池所含有的能量由它的电压和电荷量确定。但是锂电池的电压不能高于5V，目前已经做到了4.4V左右。所以只能在增加电池电荷量的方向上寻找突破。因此需要解决的问题就是寻找到轻便小巧电荷储存量大的材料。
最初是索尼研发出了质量轻容量大的18650锂电池，大量应用在笔记本电脑上。锂电池性能稳定、产能巨大、重复性和安全性都比较高的特性。
锂电池主要是依靠锂电子在正极和负极之间移动来工作。充电时，Li 从正极移动到负极，负极处于富锂状态（负极嵌锂）；放电时，Li 又回到正极（负极脱锂）。
目前锂电池负极材料使用的基本都是石墨。但是石墨的容量很低，因此锂电池如果要有突破性的发展，就需要寻找更合适的负极材料。
硅和金属锂容量约为石墨的10倍左右，如果它们能用于锂电池的负极，将大大提高其性能。
对于硅来说，在嵌锂和脱锂过程中，会出现体积膨胀破裂的现象，导致电池不能使用。
因为研究纳米出身，所以我知道与硅不同的是，如果纳米材料中嵌入锂离子，体积会发生膨胀，但不会破裂。
因此我思考是否可以将纳米材料与硅结合，克服硅易膨胀破裂的缺陷。随后我开始组建团队，并进行了一系列的研究，我们发明了一项原位透射电子显微技术，可以在充放电时观察材料的结构变化。通过观察以及力学上的分析计算，我们发现当硅材料直径小于150nm时，就能保证不发生破裂，这一项研究成果后来被当作是锂电池寻找新的负极材料的标准。
2007年我发表了一篇关于硅纳米线的论文，由此开创了一个纳米材料与能源储存相结合的全新领域。
在未来，如果希望电池能有再进一步的发展，从科学和材料的角度分析，金属锂的研究也将是一个不容忽视的重点。如果金属锂可以用做锂电池的负极材料，也许在下一个十年，锂电池研究上的很多问题都能被解决，能行驶800公里的长途电动车也有可能会出现。
电池安全不再是难题
2013年，一架波音787飞机在美国波士顿机场起火；同月，日本航空公司的另一架波音787也发生了同样事件；
2016年，三星Note7手机又发生起火爆炸事件。
这一连串事件的原因就是因为锂电池的问题。随后经过分析，出事的原因有很多，但基本上都是因为电池短路。
发生短路后，电池释放电能，开始加热。当温度达到100℃左右时，固体电解质界面开始分解，到180℃时，电池内部的电解质溶液与正极材料开始发生剧烈变化，而当温度达到500-1000℃时，爆炸就发生了。
所以，只有电池的温度低于100℃，才能保证安全。
因此，我和斯坦福大学鲍哲南教授一起合作，想出来一个解决办法，在电池的集流体（电池中汇集电流的结构）上裹上绝缘的高分子材料，当材料中注入纳米颗粒镍后则可以导电。而当电池温度升高，高分子材料体积发生膨胀，镍颗粒之间距离拉大，从而又变成了绝缘体。这样一来，即使发生短路，但是电池材料不与集流体接触，加热就不会太严重，电池也就安全了。
目前小型电池测试已经成功了，大电量的电池还在继续研究测试中。
大规模储能新技术
中国的太阳能和风能项目能解决很多地方的能源问题，但同时也带来了大量弃电的产生。因此亟需解决的问题是将弃电收集起来，当电网开启时，重新投入使用。
目前最重要的技术就是将电能转化为势能，即利用电能将水抽到高处，需要用电时，则放水释放电能。但这样的技术也会损耗至少40%的能量。
近几年出现了一种叫“流体电池”的技术，可以利用氧化还原反应进行充放电。但这种技术成本过高，并且电池的能量密度很低，不能大量普及。
我们所做的研究是一个完全新的方向。
因为发现如果以价格低廉的多硫化合物作为电池内部材料，电池寿命很高，我们投入了很多精力，但目前仍有一些问题没有完全解决，不能产业化。
我一直在思考是否可以研发出造价低还能循环30年的电池。根据这一要求，我反推电池正负极，发现需要用到镍氢气和锰氢气，这也是基本没有人研究过的领域。
后来我们发现美国宇航局几十年前曾在卫星上使用过这种电池，但是由于他们使用昂贵的铂金作为催化剂，也无法大量生产。我们已经研究出使用镍钼合金来代替铂金，造价低，储能高，目前正在做产业化。
空气净化指日可待
2013年在北京遭遇严重雾霾，当时就决定要研发出一种能有效过滤PM2.5的材料。在北京买了各种类型的口罩回到美国实验室测试研究，最终发现只有美国品牌3M的口罩对PM2.5的过滤效果相对好一些，其他的都不管用。
最近国内市场中出现防雾霾纱窗，经过测试发现，过滤效率也几乎为零。
目前空气过滤技术主要是基于高分子微米纤维，通过物理阻挡来实现。空气阻力过高、效率有限。如果做口罩的话，透气性不好，容易缺氧。
经过研究，我们发明了一种高分子纳米纤维过滤膜材料，直径约几百纳米，空气阻力低（比3M口罩小3倍），对光透明。经过测试发现该材料对PM2.5和PM10均有大于99.9%的过滤效率，并且高温很稳定（300℃），有较高的容尘量，可用于各种空气过滤的应用。
目前这种材料已经应用在口罩、空气过滤器、纱窗、建筑新风系统等领域，并且在医院和疾病控制中心以及超净室中也有广泛应用。
我们现在的工作是在研究如何清洗过滤膜，当这个技术完成后，产业化将更容易实现。
空气净化是一个高速成长的庞大市场，平均每年增长率为15%左右。预计到2020年将有200亿美金的市场。
污水可以直接变饮用水？
全球水污染是一个大问题。如何将污水转化为可饮用水，是我们一直想要解决的问题。
为了去污杀菌，很多人在家中安装净水机杀菌消毒，但成本极高。
我想出的一个办法是，利用纳米线电穿孔技术来进行杀菌。主要原理是利用纳米线的空间尺度效应，给纳米线施加5-10V电压，纳米线尖端产生强电场，会对细菌进行穿孔灭杀。我们实验发现，这项技术杀菌率达到99.9999%。目前这项技术只适于民用，产业化还有一些困难。
此外，我们正在做的一项工作就是利用电池正负两级来吸收海水中的钠离子和氯离子，通电后实现海水淡化。
在重金属处理方面，我们发明了交流电沉积技术来提取海水中的铀，比传统吸附技术提高了近10倍的效率。
其他的重金属，如铜、银、金、汞等，利用该项技术也都可以过滤。
当把杀菌消毒、重金属去除、污染性有机物去除这些技术结合在一起，即使是污水，也可以成为直接饮用的纯净水。预计在2019年底，整项技术的Demo就会出来。
既保温又散热的新衣
为了研究如何有效节省能源，我在衣料领域也有一些研究。
一项数据表示，目前全世界大概13%的能量用于空调制冷或制热，每改变1℃，就可以节省10%的能源。
研究如何节约能源，源头应该研究如何做好人体保温和散热。
要想做好保温，需要尽可能的控制人体红外线不要散发，所以需要寻找散发红外线能力弱的新材料，因此我们考虑在布料中加一层可以透气透汗的金属纳米孔。
经过实验测试，马甲中加入这个材料后，红外线散发不出去，保温性很好。与市面上其他保温的布料对比，室内温度调节到22℃时，穿普通的衣服人体才会感觉到舒适，而穿上我们做的布料后，15℃就已经很舒适了。
如此一来，7度的温差就可以节省70%的能源。
目前这项技术正在和奥委会沟通，探讨是否可以在2020年北京冬奥会中投入使用。
保温容易做，但散热却比较难研究。
现在市面上所有的布料都有高分子的化学键，对红外线都不透明。我们研究了很久，最后发现保鲜膜对红外很透明，聚乙烯材料的化学键是碳碳键和碳氢键，所以不怎么吸收红外线。
但是这其中最大的问题是对可见光透明，就像“皇帝的新装”。
因此我们考虑把纳米孔做到保鲜膜中。利用光学的原理，如果孔的大小与波长差不多，散射能力就很强，如果波长很长，散射能力就很弱。
红外线比可见光波长短很多，所以红外线从空中射出时，可见光波不透过，材料就会呈现白色，这样就可以做成可穿着的纳米多孔聚乙烯衣料，并且通过表面修饰可做到空气随意透过。
经测试，裸露时体表温度为33℃，穿上纳米多孔聚乙烯材料制成的衣服，体表温度仅上升1℃。相比之下，穿上棉质衣服，体表温度上升4摄氏度。
这样一来，大约可以节省30%能源。第一代的技术做出来是无纺布，并不是纺织品，后来经过新的工艺，把聚乙烯加热融化和油混合，纺出丝后做成布料，成为了全世界最凉快成本最低的布料，规模生产后会很便宜。
随后我们又考虑是否可以在同一件衣服上既实现保暖同时也可以降温，但因为存在染色问题，目前只是在概念和技术上完成了，可能中试过程中还会遇到很多问题，都要一步步去解决。
从我多年的科研工作中，我明白一个道理：有时候想做成一件事，尤其是几乎所有人都没涉足过的新领域，千万不能有太多的功利心，不要想着能从这件事中得益多少，而是要踏实的一心投入其中，这样才经常会有意想不到的结果。
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