崔屹:3年前我們發現絕大多數口罩對PM2.5都無效
本站科技訊10月28日消息,2017未來科學大獎頒獎典禮暨未來論壇年會今日在北京舉辦,本站科技作爲戰略合作伙伴對未來論壇進行了全程直播。會上,斯坦福大學材料科學與工程系教授崔屹就納米材料、納米科技能夠產生的新技術,回到科學,產生新的技術,能夠對能源和環境有所影響等問題進行了主題演講。
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崔屹表示,納米科技在三個方面的應用包括高能鋰電池、新型布料、過濾PM2.5。
納米技術做成的高能鋰電池,對解決電池的安全問題很有幫助,杜絕着火現象。崔屹“這麼高能量密度的電池,能不能完全解決安全性問題,過去10-20年電池出世,從索尼到三星,還有車的出事,波音飛機出事,電池安全性一直存在,所以需要大家從科學角度來想怎麼解決這些問題。”
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而對於大衆關係的霧霾問題,崔屹表示,3年前我們發現基本上所有的口罩對PM2.5都不管用。經過研究,發現納米纖維技術過濾效果很好,“三年前我們發現了納米纖維技術,過濾效率很高,99%,去除率很高,而且空氣阻力很低,比現有市場上看到的技術低三倍。”
最後,崔屹表示,會將這個技術 快速產業化,把技術用到中國,讓老百姓用上。(彭麗慧)
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以下爲崔屹在未來論壇上的演講實錄:
崔屹:謝謝組委會的邀請,參加未來論壇,首先祝賀我們三位獲獎者,感謝組委會辦這麼好的會議。
納米科技到底能夠做什麼,現在主要應用在能源和環境上面。剛纔從楊教授的報告裡,大家可以看到,我們確實面臨的能源問題很大,到底怎麼減少二氧化碳的排放,怎麼能夠遠離化石能源,同時已經造成環境污染怎麼辦,水的污染,空氣的污染,土壤的污染等等,我們要修復這些問題。我是12年前加入斯坦福大學,當時想從新材料納米材料角度可以做什麼,能源轉換,太陽能電池,能源存儲,鋰電池,電動汽車等等,催化一系列的。
今天舉幾個例子跟各位分享一下,納米材料、納米科技能夠產生的新技術,回到科學,產生新的技術,能夠對能源和環境有所影響。
這是三個今天要挑的例子,高能鋰電池,新型的布料,能夠冷卻身體,能夠保溫,PM2.5過濾,在北京,大家感受比較深。12年前不明顯,今天看電池技術變得很明顯,手機、無人機、電動汽車,太陽能、風能入網,大規模儲能,太陽能、風能怎麼儲存下來,這是很重要的問題,帶來很多的商業機會。分析一下,看現有的電池技術,我們處於什麼樣的狀態。
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技術不斷地發展,能量密度一公斤能儲存多少度電,220瓦時每公斤,我們想到500,一輛特斯拉的車開400公里,500瓦時每公斤,特斯拉可以開八百到一千公里,比燒油的車跑的還遠,價格是不是還能降,砍掉一半,老百姓能付得起,循環壽命想要三千次,一萬次,不是七年鋰電池,手機用三年鋰電池就不行了,能不能做15-25年,能不能充電速度不是一個小時到兩個小時,十分鐘以內,最後能不能做安全性,絕對安全,不要起火、爆炸。這裡面有很多問題,也帶來了對科學上,我們怎麼做,提供了機會,我想這個還會持續很長時間,才能把所有問題都解決,但是意義非常重大,帶來的是革命性的變化。從電動汽車,從能源,讓可持續能源能夠大量使用,變得很重要。
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很重要的材料,把電池能量密度提高,500瓦時每公斤,現在用石墨,能不能用硅和金屬鋰,儲存能量是石墨的10倍,這樣的材料能夠做好,電動車可以跑很遠,生產一公斤提供的成本,提供的能量多了,存每度電的價格會掉下去。正極材料也一樣,從現用的在磷酸鐵鋰,能不能用硫能不能做好,特別便宜,過去兩年,中國電動汽車行業大規模起來,現在又回落,沒有足夠多的鈷故做電動車,必須發展特別便宜的材料,這些很重要的材料,儲存鋰離子量很大,很多材料問題會出現。
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拿硅做例子,原子結構變成顆粒,當鋰充電,體積膨脹四倍,材料發生破裂,不穩定,過去30年想把硅用到鋰電池上做不成。出現很大問題,用納米科技辦法很可能解決這些問題,我12年前加入斯坦福大學的時候,開始用納米科技的辦法,到底問題多大。
當鋰離子充到中間,八百納米直徑,體積膨脹,撐爆了,材料破裂,導致材料用不好,但是小的顆粒也在充,小的能夠存活,用這樣的技術,要知道納米材料小到一定程度不會破裂,八百會破,一百五十不會破,將來工業界想把硅負極用上,提供了很重要的參考,什麼樣大小顆粒可以用。
第二個問題可以顯現,除了體積膨脹破裂,還有界面不穩定,因爲充電的時候膨脹,放電的時候收縮,一個材料充電放電收縮四倍,不穩定,電池現在的技術解決不了這個問題。
我們大概十年前,從硅的納米線開始,發現解決破裂問題,一大問題解決了,後來又發明了河殼結構的納米線、空心結構,我們經歷了11代材料設計,一個一個問題,包括界面問題也解決的差不多了。
怎麼把現在發現的科學、材料上的新發現,以及技術上新發現進行產業化,2008年創辦一個公司Amprius,在無錫市,現在電池做到的程度,全世界能力最高,290瓦時每公斤,現有220,第二條生產線是最先進的技術,現在放到美國,400瓦時每公斤,有這樣的技術電動汽車,很快特斯拉尺寸的車,四百公里的每次充電可以到600公里以上,甚至七百公里。將來應用是全方位的,除了現在的手機、無人機,電動汽車,將來做大了之後,也可以進入大規模儲能。
經過這麼12年的研究,其實這個鋰電池對將來的影響非常有前途,從現在的技術,我們的石墨和三元配比,MMC配比,硅負極進入,400瓦時每公斤,金屬鋰和鋰硫電池,甚至600瓦時每公斤都成爲可能。500瓦時每公斤的時候,基本上電動汽車可以取代所有燃油車,除了特別長距離的車難以取代之外,會馬上發生。硫正極怎麼做金屬鋰,材料科學上有很多挑戰,納米科學的辦法有很多進展,成爲可能性,可能會走10-15年,需要很多年輕人進入,才能把這一塊問題完全解決掉。
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回到電池安全性,這麼高能量密度的電池,能不能完全解決安全性問題,過去10-20年電池出世,從索尼到三星,還有車的出事,波音飛機出事,電池安全性一直存在,所以需要大家從科學角度來想怎麼解決這些問題。
最近我們實驗室發明一個新技術,綠色滅火劑在高分子纖維裡,放到鋰電池的隔膜上,當電池發生短路,即將着火爆炸的時候,溫度上升,高分子熔化,把滅火劑放到電池裡全都釋放出來,讓它着不火,爲什麼不把滅火劑放到電解液裡,一旦溶解之後,影響電池性能,離子導電率很差,電池沒法用。納米包附的辦法,最後釋放,可能徹底解決這個問題,我們的目標將來電池怎麼用,發生怎麼樣的事故,堅決不着火,如果做到這樣的話,每個人都會很放心地把電池放到所有的應用上。
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第二個例子,最近的新發明,Thermal textile,上千年的歷史,新發明可能會需要,現在全世界能源消耗,13%用在空調上面,冬天保暖,夏天製冷,但是空調的能量都在冷卻,比如夏天的時候牆壁、空氣,真正需要不是冷卻整個建築物,需要對個人進行空調,一個人其實相當於一百瓦的燈泡,在非運動狀態下,怎麼讓這個人快速散熱,夏天不那麼冷,冬天不那麼熱。基本上每一度空調的調整,會讓10%的能源能夠省下來,到這樣的地步。
研究人體散熱50%靠紅外線,室外運動靠漢蒸發,基本上靠紅外線,不斷地散發紅外線,可以看到人體散熱,現在變成人體散熱怎麼夏天快速往外散發,個人感覺到涼快,空調不要開這麼冷。現在所有布料,面棉的、聚酯的對可見光不透明,沒有一個布料可以做到紅外線透明。很便宜的材料聚乙烯對紅外線透明,是廚房用的保鮮膜,對可見光也透明,還是不能穿。
用了納米科技辦法,現在用是什麼,聚乙烯變成納米孔的聚乙烯,孔的大小是可見光波長,400-700納米範圍內,可見光進行散射。納米孔做到聚乙烯,做成布料,測皮膚溫度。
夏天要想涼快,最好的辦法,什麼別穿,表皮33度,穿上棉衣服變成37度,穿上納米孔聚乙烯變成34度,以後保鮮膜變成布料,垃圾袋變成布料,穿完衣服回收再熔化,變成納米孔,變成布料,實現完全回收,非常有意義。
PM2.5,三年前,把能買到的口罩買回斯坦福大學測,基本上所有口罩都不管用對PM2.5,吹的很牛,個別口罩管用,但是空氣阻力還是很大的。能不能研發一種技術,把PM2.5過濾掉,看PM2.5從哪來,工業生產、燒煤、汽車尾氣等等,現在工業過濾沒有辦法做PM2.5,這個提出了新需求。
三年前發展納米纖維技術,過濾效率很高,99%,去除率很高,而且空氣阻力很低,比現有市場上看到的技術低三倍,到底什麼原因這麼低,裡面有很有意思的科學原理,納米纖維直徑很小,有一點靜電,靜電廠梯度很長,不帶電的PM2.5顆粒完全抓住。後來跟朱棣文教授有一個合作,我告訴他我們做的效果很好,當時想原理是什麼,這是他97年拿諾貝爾獎的原理,用電廠梯度把原子抓住冷凍,拿的諾貝爾獎,現在我們抓住的是PM2.5。
快速產業化,把技術用到中國,讓老百姓用上,我們成立一個公司,叫FCM,有人問是不是跟3CM對着幹,你們自己理解。FC非常好,可以應用到各種場景,口罩、過濾器、室內新風系統,學校、醫院以及工業過濾等等。
回到能源環境,人類面臨最大問題,人工光合作用非常重要,能源環境研究和技術、科學全方位,怎麼產清潔能源,怎麼儲存、運輸、用好,最後回收回來,對於環境有很小的影響,能保持住,我們的水是乾淨的,天是藍的。
感謝我的研究團隊,博士生、博士後,以及斯坦福大學的經費支持。謝謝大家!
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