据网易科技2017年10月28日讯 2017未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会今日在北京举办，网易科技作为战略合作伙伴对未来论坛进行了全程直播。会上，斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹就纳米材料、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等问题进行了主题演讲。
　　崔屹表示，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。
　　纳米技术做成的高能锂电池，对解决电池的安全问题很有帮助，杜绝着火现象。崔屹“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。”
　　而对于大众关系的雾霾问题，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，“三年前我们发现了纳米纤维技术，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。”
　　最后，崔屹表示，会将这个技术 快速产业化，把技术用到中国，让老百姓用上。

　　以下为崔屹在未来论坛上的演讲实录：
　　崔屹：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，让它着不了火，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℃，穿上棉衣服变成37℃，穿上纳米孔聚乙烯变成34℃，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，静电场梯度很长，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1997年拿诺贝尔奖的原理，用电场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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　　崔屹、朱棣文团队最新成果：首张原子级冷冻电镜显微图揭示锂电池故障之谜
　　众所周知，消费类电子产品锂离子电池出现问题，一般都是由于高温、短路、热失控等原因造成。要彻底解决锂离子电池安全性问题，我们应尽可能深入、甚至是从原子层面进行研究，只是在过去，这一类型的研究往往缺乏有效的技术手段。
　　近日，在斯坦福大学教授崔屹，以及诺贝尔物理学奖得主朱棣文参与的一项研究中，使用刚刚斩获2017诺贝尔化学奖的冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术，对锂金属枝晶进行了原子级别的观测。最新论文也于近日已经发表在《Science》官方网站。
　　来自斯坦福大学和美国能源部直属的SLAC国家加速器实验室的科学家们，借助冷冻电镜技术，捕捉到了首张原子级锂金属枝晶图像。这次捕捉到的枝晶图像是电池内部的一种指状生长物，由于其不规则生长，可能刺破电池内部的隔膜，从而引发电池过热或短路。
　　枝晶生长及其带来的问题一直以来都是高密度储能电池发展的一大障碍，但到目前为止，还没有太好的解决办法。
　　这次，科学家们则是将生物学领域的利器——冷冻电镜技术——用到了材料科学领域。众所周知，冷冻电镜技术可以用来解析大型蛋白复合体原子结构及研究其他微观生物机制，同时做快速高解析度的成像。
　　冷冻电镜技术的出现无疑对生物学，尤其为结构生物学，带来了一次技术革命。该技术的三位主要贡献者：雅克·迪波什（Jacques Dubochet）、约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson），也因此斩获了2017年诺贝尔化学奖。
　　这次捕捉到的图像显示，锂金属枝晶呈现出一种长条状、成形优美的六面晶体形态。而此前通过传统电子显微镜观察到的枝晶则是一种不规则，表面布满瑕疵的带状物。
　　在材料科学研究中，往往要达到原子级别的观测，才能对材料特性有最深入的了解。而冷冻电镜技术恰恰为科学家们提供了一个强有力的工具，使他们能从最基础的层面研究电池内部到底在发生什么，从而找到高密度储能电池技术瓶颈为何一直难以突破的根本原因。
　　“研究成果非常令人激动，也为相关研究展开了全新的图景！”本次研究的主要负责人、斯坦福大学教授崔屹说道。
　　通过冷冻电镜，在无需结晶的情况下就可以对那些结构脆弱、且化学性质不稳定的材料进行高精度观察，那才是电池在工作时的原始状态。崔屹教授还表示：“同样的方法适用于所有类型的电池材料。我们这次用于研究的锂金属只是其中之一，但也是最具代表性、最有挑战的一种材料。”
　　崔屹的实验室在防止电池产生枝晶上设计了很多新方法，例如在电解液中加入化学物质以防止它们生长，或者开发出一种“智能”电池，当它探测到枝晶正在“入侵电池隔膜间的屏障时会自动关闭。
　　但是，直到现在，科学家都没有获得枝晶或其他电池关键部件的原子级图像。他们可以选择使用透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM），但是这种方法对许多材料都不适用，其中就包括锂金属。
　　“透射电镜样品的制备需要在空气中进行，但锂金属在空气中将很快被腐蚀”，和Yanbin Li一起主导了本次研究、来自斯坦福大学的Yuzhang Li说，“每当我们试着用高倍电子显微镜观察金属锂时，电子就会在枝晶中‘钻洞’，甚至把它完全熔化。”
　　“这就像在阳光下用放大镜照叶子一样。但是，如果你能把叶子冷却的话，这个问题将迎刃而解：你把光聚焦在叶子上上，热量同样会散失，叶子也不会受到破坏。这就是我们用冷冻电子显微镜所能实现的效果，用到电池材料的成像上，差异非常明显。”
　　在冷冻电子显微镜实验中，研究人员通过将样品浸入液氮中的方式进行速冻，然后在显微镜下对它们进行切片检查。观察者不仅可以在充放电循环的过程中的任意一刻冻结整个纽扣电池，移除选定的部分，并以原子级的尺寸对该部分内部一探究竟。甚至还可以通过将在这一过程中不同时间点所选取的图像串联起来而制作一个有关电池活动的定格动画（stop-action movie）。
　　在该项研究中，该团队使用了斯坦福大学医学院的一种冷冻电子显微镜来检查数以千计的已经浸泡在各种电解质中的锂金属枝晶。他们不仅观察枝晶的金属部分，而且还能看到被称为固体电解质界面膜 (SEI)的涂层，该中间层随着枝晶与周围的电解质反应而变化。当电池充电和放电时，同样的涂层也会在金属电极上形成，所以控制它的产生和稳定对于电池的高效利用至关重要。
　　他们惊奇地发现，枝晶是一种倾向于向特定方向生长的结晶、多面纳米线。其中一些会在“生长”过程中出现打结的情况，但是尽管如此，它们的晶体结构仍然完整的。
　　在显微镜下，研究人员使用不同的技术来观察电子从枝晶的原子中弹出的方式，揭示晶体和其固体电解质界面膜涂层中单个原子的位置。当他们向其中添加通常用于提高电池性能的化学物质时，固体电解质界面膜涂层的原子结构变得更加有序，而这将有助于解释为什么添加剂会起到作用。
　　“我们真的很兴奋，这是我们第一次能够获得如此详尽的枝晶的图像，也是我们第一次看到固体电解质界面膜层的纳米结构。”Yanbin Li说。
　　“这个工具可以帮助我们了解不同的电解质分别有什么样的作用，以及为什么某些电解质的效果比其它的要好。”
　　研究人员表示，未来他们计划将着重于更多地了解固体电解质界面膜层的化学属性和结构。（源自：DeepTech深科技）