鉅大LARGE | 點擊量：1733次 | 2019年01月11日
崔屹：電池的“三步走”思路
41歲美國斯坦福大學教授崔屹用來解決現實問題的尺度極其微小：納米。一根直徑0.05毫米的頭發，軸向平均剖成5萬份，每份的厚度才是1納米。
極小的尺度卻成為突破技術難題的窗口：高能量密度的硅負極電池、能過濾99%PM2.5又透氣的口罩、能透紅外線從而快速散熱的智能布料，這些無一不是崔屹通過納米技術發明的。
諸如此類的發明不僅讓出生于廣西來賓的崔屹成為頂級學術期刊的常客，獲得布拉瓦尼克青年科學家獎等獎項，還屢登《科學美國人》評選的年度“十大創新技術”，促成了安普瑞斯（Amprius）、4CAir兩家科技公司的誕生。
近日，崔屹接受了澎湃新聞（www.thepaper.cn）的專訪。回憶起約20年前，從中國科學技術大學本科畢業，輾轉到哈佛大學讀博士，第一次接觸納米技術，崔屹說，當時“也不是很知道納米能干什么，只是覺得這個領域有前途”。
崔屹能感覺到，從納米的視角看出去，世界變得更神奇了。堅硬的材料做成納米纖維，會變成可以彎曲而不會折斷的條塊；日常看起來黃金是金色，但到了納米尺度，它在溶液中呈現紅色；原本是惰性的材料在納米尺度上，可能變得異常“活躍”，容易燃燒。
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2005年，崔屹開始在斯坦福大學任教，著手將納米技術用于電池的研究。回頭去看，有些驚訝的是，崔屹當時的想法沒有得到很多人的支持。納米+電池？同行認為挑戰太大。一來納米材料的比表面積大，加重電解反應，會增加副作用，二來納米材料如何有序堆積的問題尚未得到解決。“新的想法進來，受質疑是很經常的。”崔屹說。
最終，崔屹把這個他開創的研究領域堅持了下來，一一解決了技術上的難題。現在，他思考的是，如何從工藝上，把納米材料的價格降下來，讓更多人用得上。
創辦公司，把自己的技術轉化成商品，這個想法自然而然地產生在崔屹腦海中。更何況，他就身在硅谷。“我是從不懂開公司，到一邊開一邊學的。”崔屹說。2008年，專攻新型電池的安普瑞斯成立。2015年，生產新型口罩的4CAir成立。目前，他在籌劃一個新的商業模式的第三個高科技公司。
問及中美在對待科學家創業上的區別時，崔屹回答：“細節上，比如股份分配的靈活度上有很大區別。價值觀上，是不是教授創業就不務正業？這要有所改變。”
電池的“三步走”
就在接受澎湃新聞專訪的前一天，崔屹和諾貝爾物理學獎得主朱棣文合作的一篇論文剛在美國的《科學》雜志上發表。這是一次看起來跨界的研究——用冷凍電鏡觀察原子級金屬鋰的枝晶和固體電解質界面膜（SEI）的納米結構。
冷凍電鏡促成了3位科學家獲得今年的諾貝爾化學獎，是結構生物學家的得力助手。2016年，受到生物學家的啟發，崔屹開始將冷凍電鏡用于電池研究。第一個他想借此回答的問題便是，金屬鋰的枝晶和界面膜在原子層面是什么樣的。
枝晶和鋰電池安全緊密相關，“充電的時候如果控制得不好，金屬鋰的枝晶會長出來，像一棵樹一樣”，枝晶會捅破電池正負極之間的隔膜，造成短路，甚至引發爆炸。
固體電解質界面膜（SEI）則是負極材料和電解液接觸，生成的反應物，厚度約為50個納米左右。這層膜影響著電池的穩定性，決定著循環使用壽命到底是1000次還是10000次。
如果能看清金屬鋰枝晶的原子層面，知道界面膜的結構，科學家就能進一步解決以金屬鋰為負極材料的鋰電池的安全問題，并使其壽命更長。但這個問題一直困擾學界半個世紀之久。金屬鋰的熔點低，使用電子顯微鏡觀察時，電子束會將它融化，“打出一個洞”，破壞了原本的結構。直到冷凍電鏡的應用，避免了這個問題。
崔屹為這項突破感到欣喜。他視金屬鋰為一種未來的電池負極材料，因為金屬鋰的能量密度高，如果解決了安全性等問題，可以將現在電動車電池的儲能翻倍。
崔屹向澎湃新聞介紹了他對未來電池正負極材料的發展路線規劃。目前鋰離子電池的主流正極是鈷酸鋰、磷酸鐵鋰或者三元材料，負極材料主要是石墨，其能量密度是有限的，最多約為300瓦時每千克。接下來第一步是將硅取代石墨作為負極材料，可將能量密度提升至400瓦時每千克。第二步，負極材料從硅換為金屬鋰，能量密度達到500瓦時每千克。第三步，正極材料改為硫，負極材料為金屬鋰的電池能量密度達到600瓦時每千克。
“能量密度達到500瓦時每千克時，特斯拉（一次充電）可以開800到1000公里，比燒油的車跑得還遠。”崔屹說。
在崔屹成立的安普瑞斯公司，“三步走”中的第一步正在走向現實，已經量產了負極材料是硅和石墨混合物的電池。“硅的比例會慢慢調大，最后能量密度越來越高。”崔屹說。
他估計，“三步走”中的第二步，即以金屬鋰為負極材料的電池還需要學界5-10年的研究，“產業化則是10年開外的事”。
能過濾99%PM2.5的口罩
崔屹產生想開發新型口罩的念頭是在三年前，回了一趟中國之后，他發現霧霾很嚴重。回到斯坦福大學之后，他讓人買回了中國市場上各種各樣的PM2.5口罩。“吹得很牛，但大部分口罩對PM2.5不管用。”崔屹說，盡管有個別品牌的口罩過濾PM2.5的效率不錯，但存在不透氣的問題，戴著太悶。
“這是因為口罩的空氣阻力太大。”崔屹解釋。他想研發一款在保證過濾效率的同時，增加空氣流動性的口罩。這意味著口罩需要敏銳、特異性地捕捉PM2.5。
崔屹于是發明了一種納米高分子纖維的過濾膜，空氣阻力僅為市面上口罩的三分之一至二分之一，同時過濾效率達到99%。究其原理，崔屹解釋，納米高分子纖維直徑很小，帶有靜電，且電場梯度強，從而使其能“抓住”不帶電的PM2.5。
這一原理恰是朱棣文在1997年獲得諾貝爾物理學獎的依據。2015年，崔屹與朱棣文合作，成立了4CAir公司，著手把這一技術產業化。不僅是口罩，他們還想生產基于這種過濾膜的紗窗，霧霾天不再需要緊閉門窗。
中國會是4CAir的主要面向市場，在深圳的分公司也已成立。崔屹透露，4CAir目前正在設計生產線，預計2018年能將基于這款過濾膜的產品進入市場。
快速散熱的智能布料：納米“保鮮膜”
“現在，全世界的能源消耗，13%用在空調上。”崔屹在報告時提到，一個人相當于100瓦的燈泡，在非運動狀態下如何快速散熱成為他一段時間內經常思考的問題。
人體會自動調控體溫，散熱過程中，50%靠紅外線，其余是通過汗蒸發等。而絕大部分的布料是對紅外線不透明的。
有沒有什么材料可以讓紅外線通過？崔屹想到了冰箱里使用的保鮮膜。保鮮膜的材料是聚乙烯，對紅外線透明，但是對可見光也透明，不符合“遮體”的條件。
怎么辦？崔屹對聚乙烯進行改造，研發出納米多孔聚乙烯，通過控制納米孔的大小，讓可見光進行散射，解決了“布不遮體”的問題，同時紅外線和空氣可以隨意透過。
經測試，裸露的話，體表溫度為33攝氏度，穿上納米多孔聚乙烯制成的衣服，體表溫度僅上升1攝氏度。相比之下，穿上棉質衣服，體表溫度上升4攝氏度。
此外，據介紹，納米多孔聚乙烯能實現回收再利用。
斯坦福：允許教授一周花一天時間在公司上
崔屹的兩家公司都已步上正軌。他告訴澎湃新聞，自己正在籌劃第三個公司，將智能布料、水過濾等專利歸于一個控股公司，再分離出小公司來將專利快速產業化。
“我想把產業化加速，所以想了一個新的商業模式來進行。”崔屹說：“跟斯坦福談得很好，已經敲定了。”
不可否認的是，斯坦福大學對教授、學生創業的支持，在很大程度上影響著崔屹。“斯坦福的機制非常靈活，專利的使用權方面非常成熟，很快就可以談妥，給教授很大的自由度進行創業，也不需要全職離開。”崔屹說。
2007年，崔屹一篇關于硅納米線用于電池的論文一發表，就有硅谷的風投主動拋來橄欖枝。看似是自然而然的事，崔屹開始了自己的創業。“我是從不懂開公司，到一邊開一邊學的。”他說。
“斯坦福大學允許教授一周花一天時間在自己的公司上，我就按照規定最多花一天時間。”崔屹說自己主要的角色依然是大學教授。盡管經過多年的操練，他已經對開公司這件事的各方面很清楚，但他不參與公司的日常運營，而是雇傭職業經理人來操辦。
這幾年，崔屹把分公司開到中國來，一方面感受到中國在越來越開放，但相比美國，步驟上依然要復雜一些。
談及中美在對待科學家創業上的差異，崔屹說，中國科學家“出山”創業，需要花很多時間處理條條框框，而在斯坦福大學，自由度上要大得多，“不需要經過審批，也不用報備，只要和學校談好把專利拿出來辦公司，知道有公司創辦這么回事就好了”。
“細節上，比如股份分配的靈活度上也有很大區別。價值觀上，是不是教授創業就不務正業？這要有所改變。”崔屹說：“斯坦福的例子表明，做頂級的科研和開成功的公司不矛盾。”
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