崔一正在利用纳米科学的力量来生长极小的结构——这在清洁能源转型中发挥着巨大的作用
在侏儒鼠狐猴和大猩猩之间的摔跤比赛中，直觉表明体型较大的灵长类动物会获胜。尺寸等于力量的概念在科幻小说中也得到了共鸣，1956 年的小说等作品中都有描述 萎缩的人 和电影1989 亲爱的，我缩小了孩子，两人都在探索如果人类突然变得比蚂蚁还小，世界将会有多么可怕。
纳米科学颠覆了这一惯例：随着材料尺寸减小到纳米级，它们实际上可以表现出更高的强度。一纳米有多大？十亿分之一米，或者大约是你的指甲在一秒钟内生长了多少。单张纸的厚度达到惊人的 100,000 纳米。
崔毅是 Fortinet 创始人材料科学与工程教授，近二十年来致力于释放纳米科学的潜力，彻底改变清洁能源转型的一个关键方面：电池存储。
虽然锂离子电池通常与便携式设备（手机、起搏器）联系在一起，但在脱碳世界中，对高能量电池的需求正在增长。向电动汽车和飞机的过渡对于减少对化石燃料的依赖至关重要，这取决于开发强大的电池。随着越来越多的家庭和企业采用太阳能，对能够存储多余电力以供夜间或恶劣天气条件使用的大型高能量密度电池的需求不断增加。
与燃料电池（清洁能源转型的另一个领跑者）不同，电池具有利用现有电力基础设施的优势。但它们也带来了挑战，即安全性和成本。任何可行的电池解决方案都必须能够承受所有可能的温度条件，并且足够便宜以供广泛采用。
进入纳米科学领域。材料的物理和化学性质可以在纳米尺度上发生巨大变化，部分原因是量子力学和更大的表面积与体积比。例如，虽然宏观尺度的碳可以构成铅笔中的可折断石墨，但纳米尺度的碳比钢更强。同样，体积稳定的铝在纳米尺度上变得可燃。对于崔毅来说，纳米尺度上的这种根本性变化为电池技术的突破性创新开辟了道路。
大多数电池由悬浮在电解质中的带正电和带负电的导体（分别是阳极和阴极）组成。当离子在阳极和阴极之间移动时，能量释放，产生电力。
长期以来，硅作为一种潜在的阳极一直很有吸引力，因为它比主要用于锂离子电池的石墨阳极具有更高的能量密度且成本低得多。然而，当锂嵌入和脱出时，硅的体积会增加 400%，从而损坏电池。
崔的创意解决方案？使材料更小。他使用气-液-固 (VLS) 工艺来生长硅纳米线，其中包括将金属纳米粒子催化剂暴露在 400-500 摄氏度的硅气体中，将硅溶解成纳米粒子，直至形成液滴。
“你不断地向这个液滴中添加硅原子，它会过度饱和并以固体硅纳米线形状沉淀出来，”崔说。 “这是一种非常漂亮、优雅的机制来制造这些电线。”
这些新型硅纳米线电极可以承受很大的应变，而不会像块状硅那样发生快速降解，从而允许多次充电和放电循环。由于硅作为阳极储存的锂比石墨多 10 倍，因此全尺寸电池的能量几乎增加了一倍。
崔在 2008 年发表了一篇具有里程碑意义的论文，发表了这些发现。该论文除了表明可以制造带有纯硅阳极的锂离子电池外，还有效地开创了能量存储纳米科学领域。
追逐储能“圣杯”
崔表示，锂金属电池是电池研究的“圣杯”。它们是 Battery500 联盟的主要关注点，该联盟由来自国家实验室、学术界和工业界的研究人员组成，旨在增加电池的能量，允许更多的充电/放电周期，并降低电池成本——所有这些对于实现该部门的目标至关重要能源公司的碳中和能源和电气化目标。 Battery500 联合主任 Cui 表示，锂金属的容量甚至比硅阳极锂离子电池还要大。
崔花费了数年时间寻找一种可以深入了解锂金属和其他电池材料的成像工具。由于电子显微镜发出的电子束会破坏锂金属，因此不可能在原子尺度上观察关键特征。崔特别想检查锂金属的固体电解质界面——阳极和液体电解质之间形成的一层材料。
当他在伯克利大学做博士后时，崔了解了冷冻电子显微镜（cryo-EM），这是一种由结构生物学家开发的技术，用于研究蛋白质等生物分子，但其空间分辨率远远达不到研究锂金属所需的水平。十年后，他意识到冷冻电镜技术的进步可能会彻底改变电池研究。
崔愿意考虑打破常规和学科之外的方法，这一点得到了回报。他的实验室只花了四个月的时间就开发出了一种对锂金属进行成像的冷冻电镜技术。通过将材料冷却到液氮的温度，崔能够在原子尺度上捕获锂金属及其固体电解质界面的第一张图像。这种高分辨率成像揭示了锂枝晶的性质，锂枝晶会导致锂金属电池短路，甚至使 Cui 能够测量原子之间的距离（七分之一纳米）。
“一开始谁都不敢相信！”崔笑道，他记得说服同行评审员是多么困难 科学 这些确实是锂金属的图像。
“当我找不到解决办法时，我就让问题悬在那里。然后，一周或几个月后我会再次考虑这个问题。这种情况可能会持续数十年，”崔说。 “但我确实有一个例子，十年后，我终于弄清楚了。”
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当我找不到解决方案时，我就让问题一直留在那里。
然后，一周或几个月后我会再次考虑这个问题。这种情况可能会持续数十年。但我确实有一个例子，十年后，我终于弄清楚了。”
易翠
崔实验室中的电池原型。
面对最具挑战性的问题，崔天凯愿意坚持下去，甚至乐在其中——这是一个应对气候变化的科学家至关重要的品质。
“当然，很多人感到害怕，因为问题太大了，他们担心没有解决方案，然后变得悲观，”他反映道。 “我很乐观，因为我相信我们能够找到解决方案。”
维持生命+加速解决方案
维持生命+加速解决方案：影响
为何重要
安全、廉价且能量密度高的电池对于向清洁能源过渡至关重要。崔的研究可以通过储存风能和太阳能、减少对化石燃料的依赖以及实现关键的可持续发展目标来帮助应对气候变化。
下一步是什么
除了实验室正在进行的研究之外，崔天凯还将利用他作为企业家的经验，担任斯坦福大学可持续发展加速器的新主任，该加速器旨在推动技术和政策解决方案向现实世界的转化。
为什么选择斯坦福大学
在崔在伯克利完成博士后研究之前，他收到了大约十几份终身职位的工作机会。尽管如此，在校园第一次面试后，他知道自己想去斯坦福大学。他认识到学校独特的协作环境及其与行业的重要关系。
