超过特斯拉4680！美国国家科学院崔屹：450Wh/kg的硅负极电池如何走上产业化之路？
当下，实现双碳3060的目标已经是中国政府的重大战略性决策。从“巴黎协定”开始，其他国家政府陆续提出了碳中和时间表，俄罗斯宣布2060年实现碳中和，沙特也要求2060年实现碳中和。
而全世界各大企业也跟进提出了自身的计划，财富500强中有超过60%的公司已经公布了碳中和时间表。
因此，未来的30年双碳问题不仅是一种责任和挑战，它也蕴藏着巨大的市场机会。
对于碳排放，各国都有相关统计。美国的一份数据显示，碳排放最大的两个领域，一个是交通运输行业，另一个是电力行业，剩下的依次是工业制造业、农业和建筑业。
电力行业中，火电排放的二氧化碳很多，而中国过去5年一直在全力提高新能源发电的占比，采用太阳能、风能、核能、水力进行发电。
当然这里不仅需要解决电力从何种能源形式来的问题，随着电的来源形式越来越复杂，相关的智能电网也需要同步跟进。另外，长距离输电技术也很重要，中国在这个领域全世界领先。
在交通运输业中，有汽车、船舶、飞机等交通工具，虽然有了电动车，但卡车、飞机和远洋货轮依然在使用传统的化石能源。
在工业制造业里，钢铁水泥、化工行业这些也排放了大量的二氧化碳。农业里化肥、畜牧业中牛羊的粪便，里面含有大量甲烷，这些都是碳排放大户。建筑业中新风空调和照明暖通，这些也向空气中排出了大量的碳。
以上这些行业都会在碳中和背景下发生革命性变化，过去的十几年里，不少技术已经实现了质的变化，比如新能源技术，太阳能和风能的发展很迅猛。
但实现双碳目标还是需要很多新技术支撑，那还需要哪些新技术？我觉得至少需要以下10种新技术：
1.能够长期使用的储能电池。它能把太阳能、风能发出的电，储存很长时间。不仅仅是白天储存晚上使用，甚至能隔好几天或一个礼拜用，有可能能达到季节性储能，比如夏天产的太阳能可以放到冬天再使用。
这方面的电池技术目前还差得很远，想达到清洁能源的大规模广泛使用，必须要有长期的、大规模的、低成本的储能装置。
2.高能量密度的电池。锂离子电池虽然可以让乘用车正常行驶，但对于卡车甚至飞机来说，还是无法实现电动化，因此能量密度更高的电池十分重要。
3.碳捕捉和去除技术。在空气里把二氧化碳捕捉，之后无论是储存还是转化成有用的东西，目前这个技术亟需加强。
4.可持续燃料。不再使用化石能源，而是把二氧化碳转化成可以用的甲醇、乙醇，甚至更高级的碳氢化合物，或者用生物质转换成燃料。这些都是可持续的能源选择，里面涉及到一系列新技术。
5.能源数字化。全球能源系统在不断变化，来源越来越复杂和多样，因此能源系统一定要结合数字化改造，使用大数据、AI把整个能源系统集成地更可靠、安全。
6.低碳钢铁。工业上的炼钢、炼铁能不能低碳化，氧化铁需要用碳还原，产生大量的二氧化碳，炼钢铁的温度也很高，能耗很大。未来能不能使用全新工艺，去降低二氧化碳排放量，这点很重要。
7.低碳水泥。钢铁的碳排放占了差不多10%，水泥也占了近8%。水泥的成分中，碳酸汞钙分解产生了钙氧化合物会释放大量的二氧化碳。另外，一千多度的烧结温度也需要消耗大量能源，因此低碳水泥会大大降低二氧化碳排放。
8.新型塑化。塑料污染不仅仅是降解层面的问题，它也排放大量的碳。因此发明对环境更加友好的环保型塑料十分重要。
9.可持续的食品行业，包括农牧业和化肥生产。其实肥料生产，它的碳排放量很大，如何生产肥料是一个很重要的问题。还有农牧业的牛羊肉，美国这边已经出现了植物肉，它的口感跟牛肉很像，这块的市场机会很大。
10.新型的核能。就是所谓的小型核电站，它对人的安全威胁会大大降低，甚至还有核聚变，当然这个需要研究的时间会很久，但这个研究成果成功后将会带来革命性的变化。
以上这些就是我认为对未来实现全球碳中和具有重大支撑性的技术成果，这些技术成果当然不是全部，之后可能会涌现更多的前沿技术成果，毕竟实现双碳目标是一个长期的过程。
碳中和是一个非常复杂的系统性问题，涉及到科学、工程技术、经济、政策各方面，所以不能只做技术端的改变。
因此，多年来我们建立了一个系统，我命名为“像布一样”的相互交联结构。
纵向这块在市场上建立各种启动计划，一个叫Bit Watts是专门做智能电网的，它是用大数据、人工智能建立安全电网，能够应对太阳能和风能的入网，解决大量电动汽车的充电问题。
目前，我们正在研究的启动计划，一个是去碳的启动计划。一个半月前，我们还启动了氢气的启动计划。从氢气的生产、储存、运输和利用。现在我们正准备启动一个计划是可持续的制造业计划，这些启动计划都得到了产业界的大力支持。
同时，我们也投入了大量经费，很多院校的教授和博士后、博士也有参与研究。
横向这块，我们思考如何进行可持续的财务支持，让这些技术走向社会。另外，怎样用大数据、人工智能的手段构造整个新型能源系统，同时里面诞生出的很多新技术进行产业转移，创办公司实现产业级的应用。
在斯坦福我待了17年，硅谷源于斯坦福大学，斯坦福在硅谷源源不断创造了很多新技术。所以，这也是硅谷不断有新公司创立的原因，从最早的惠普、雅虎、谷歌等。现在的特斯拉也跟斯坦福有很多渊源，马斯克在斯坦福读过两礼拜的书、特斯拉的CTO也是斯坦福毕业的。
斯坦福一直在传承技术转移的模式，把大量新技术转移到社会上。过去十多年间，斯坦福的校友总共在能源领域创办了超过100家初创公司，有一些已经IPO了。
在斯坦福，我也一直在研究纳米材料技术，怎么样去支持可持续发展。
我十几年前发明了硅负极技术，后来又创办了Amprius公司，我们做出了全世界能量密度最高的可充电电池，它使用了硅负极，能达到450Wh/kg。
大概一个月之前，Amprius刚刚SPAC准备在美国IPO，9月份估计会开始交易。
除此之外，我们还创办了4C Air公司，这个公司的成果是用全新材料技术——纳米纤维去进行空气过滤，去除颗粒物和PM2.5。这种纳米材料过滤病毒的能力很强，用这个纳米材料我们做出了NGO级别的口罩。
步入深水区：硬科技如何走向产业化应用？
材料技术如何进行产业化？让它更快、更高效、更节省资本地走向市场。
大概5年前，我跟斯坦福技术转移办公室谈了一个新模式。我想创办一个技术加速器，把材料类、纳米类、能源类等几十个专利独家授权到技术加速器里，一段时间后等它慢慢做成一个商业化的产品。
接着对它的商业模式尝试一段时间，再建立一个团队，然后找到CEO，最后独立出来成为一家全新的公司。
过去3年，这个模式试下来还是比较成功的。我们的第一家大规模储能公司叫Enervenue。接着还有LifeLabs，这是一家做冷却保温布料的公司，我们发明了全世界最凉快的衣服，它可以冷却，还可以保温，用极少的布料但保温效果却很好。
前面提到的高能量密度的电池技术，它可以应用在无人机、消费电子、电动汽车上。它的能源不仅十分清洁，转化效率也很高，这个电池的能量转化效率远远超过了燃料电池。
另外，这块市场也很大，全世界大概10亿辆汽车上路，还有4亿辆载重卡车和大巴。这10亿辆小车，假如每辆小车用50度电的话，那么整个市场体量是一个什么概念？
全世界的电池企业发展了几十年，每年的电池产量才仅仅是这个市场量的1/50，要生产这么多的电池，需要50年的时间，所以电池面临着一个爆炸式的增长。
特别是锂离子电池，这是一个5万亿美元的市场，每年至少有5000亿美元，这还是比较保守的估计。锂离子电池发展到今天，它仍然存在一些挑战，比如它的能量密度，目前大概是250Wh/kg，能不能翻倍做得更高一些？
密度做高了，还可以把体积做得更小一些，寿命更长一些。等电动车退役了，电池包还能继续用在下一台车上或者转为大规模储能装置。
还有就是能不能做快充，10分钟内或5分钟以内能充好，现在的技术还远远达不到。
另外，如果无法做到快充，那就做换电，在全国范围内建立全新的换电基础设施。
现在，电池的安全性也还远远不够，去年中国的电动车事故就有7000~ 8000多次，在全世界范围算很多的。能不能把电池做到不着火、不爆炸，然后成本降个三倍，这样的成本大规模储能也能接受。
并且，锂离子电池中金属锂的价格飞涨，还有镍和钴，这些价格都涨得很厉害，而且这些金属矿产资源都很有限，得想办法循环利用。
硅负极带来的革命性变化
如果石墨被硅取代，那电池里储存的电荷量将会增加10倍。
这个改变会让电池的能量密度大大提高，新材料会让电池能量密度发生革命性变化。
如果用硫替代，那储存的电荷量也会很可观，而且硫特别便宜。所以，如何让新负极和新正极进入电池领域将会带来很大的机会。
如果能用好新材料的话，能量密度将从现在的石墨和三元锂搭配，目前大概是250Wh/kg，硅负极和三元锂搭配可以到400甚至450Wh/kg。
15年前，我自己的实验室开始研究硅负极，第一代的硅负极是纳米级的，有合窍结构、空心结构等等一系列新材料设计。
我们实验室在锂电池方面的研究已经超过15年了，给锂电池行业提供了一个全新的材料设计途径，让硅负极开始应用到电池上面。
全世界现在很多实验室，包括中国的很多实验室，都在研究如何用纳米材料设计解决电池密度的问题，硅的成功可以说是赶上了产业黄金时代。
我在2008年创办了Amprius公司，在南京和无锡都有材料公司和电池厂，我发明的纳米技术硅负极已经做出了450Wh/kg的电池，并且性能更好、更便宜。
现在硅负极电池有很多公司都在做，还有很多家已经是产业化的，硅负极电池的春天要来了，它能使电池的能量密度从250到300，之后350、400甚至450。
所以在这样的路线下，未来的10年运用好硅负极不断增加电池能量密度，降低单度电的成本，会使整个电池行业发生一个革命性变化。
最近，关于Amprius的一个新进展是450Wh/kg的高能量密度电池，已经被提供给空中客车的无人机使用了。
还有Amprius的硅负极，它还有一个好处是快充，6分钟之内可以充满80%，而石墨是远远达不到的。
因为，硅负极的电压比石墨要高，它快充的时候不产锂枝晶。石墨太危险，快充会产锂枝晶，会着火爆炸。
可能公众比较感兴趣的另一个问题是固态电池的情况，固态电池现在很火热，它处于什么样的阶段？
固态电池当然也很重要，但它和真正的产业化还有很长的距离，和能做出好产品还有很长一段时间的距离，规模化生产有难度，而且成本很高，它的性能距离理论能达到的性能还差的很远。
全固态的固态电池，正极、负极、电解质都是固态的，特别是一些用到陶瓷、氧化物、硫化物的，这方面实用化也还比较远。
美国有个很著名的电池公司上市之后，弄得市场上天翻地覆，大家都觉得可能革命要来了。
当然他们也有很多进展，我看了一些数据都还不错，但我觉得他们也还是处于RND阶段，还是属于研发阶段的，还谈不上真正的应用。
固态电池还有一系列问题，包括正极、负极界面和电解质界面的问题，量产还很困难。全固态的成本很高，电极片都很厚，但能量密度却很低，达不到所需的能量密度。
当然也有一种做法是不做全固态，里面加上一点液体，做半固态的。但加完液体之后，电池的安全性又丧失掉了。所以，我觉得现在还太早，很难说当下固态电池能怎么样？
不少人认为它能取代传统的锂离子电池，我觉得还没有到。当然也要给固态电池一定的耐心，如果是市场上要给它投资的话，希望3、5年就会有回报，那可能就得慎重考虑一下了。
另外就是钠电池和锌电池，这些最近炒得也很热。
主要原因还是锂的价格上涨了，但其实锂资源并不匮乏，只是很多时候生产跟不上需求。它的全球资源分布很不均匀，有些国家锂很多，但没怎么开采，比如说南美的玻利维亚开采地就很少，这也跟它的政治经济环境有关系。
因为这个原因，所以在考虑发展发展钠电池。电池发展到今天，正极用的材料跟锂的区别不是很大，从价格上来说没有太多优势。
但作为一个储备还是很有必要的，因为这个行业如果只依赖锂的话，不仅仅是储量问题，还有政治地缘因素都会对行业发展有影响。因此，材料多样化肯定是有好处的。
现在有些公司在做钠电池，这是一件值得去推的事情。但也要有个清醒的认识，它只是作为锂的储备，并没有到取代锂的程度。
锌倒是很便宜，锌比锂便宜。锌如果用到电池负极，那么正极得好好选一个。
锌可以跟锰搭配，使用二氧化锰。锌锰电池的性能和锌溴电池的性能在能量密度上没有锂电池的密度高，它们的应用方向可能还是做大规模储能。
因为锌便宜，但锌会产生枝晶，循环次数不够，还有很多问题要解决。因此还无法达到取代锂电池的程度。
所以，钠电池值得做，锌电池也值得做，但也要清楚地认识到它们的成长需要一个过程。
不要认为它们能取代锂电池，还远远没到那个地步。但在大规模储能上，它们可能还能发挥作用，像我做的镍氢气电池也能在大规模储能上和锂电池PK一下。
鸡生蛋问题：电动车和绿电的矛盾
美国有一个团队公布了一个数据，如果一辆电动车使用的是热电，那么这台电动车的碳排放量其实远远超过了普通燃油汽车的碳排放量。
优秀企业的学习社区
助力企业追求卓越持续成长
聚变计划·土士学堂 | 最佳实践案例+认知学习方法
绿研院年会 | 企业家、科学家、专家学者学习交互
绿研院学习基地 | 企业家学习相聚、身心怡养之地
微信扫码关注该文公众号作者