編者按：2023年9月12-14日，以“綠色 持續 共生 向新”為主題的“第五屆未來(lái)能源大會(huì )”在江蘇常州武進(jìn)召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，美國國家科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)能源研究所主任崔屹發(fā)表了《新能源新材料未來(lái)發(fā)展前景》的主旨演講。
以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。
謝謝主持人的介紹，抱歉，我不能到現場(chǎng)參加這個(gè)會(huì )議，就在線(xiàn)跟大家作一個(gè)報告。主題的就是“材料科技對碳中和的貢獻”。這個(gè)報告我想分兩部分，第一想跟大家講一下斯坦福大學(xué)在碳中和上怎樣組織教授和學(xué)生們進(jìn)行科研攻關(guān)，大的背景就不用再重復了。
碳中和的重要行業(yè)可以分解為，電力電網(wǎng)是首要的，交通、工業(yè)、鋼鐵、水泥、化工農業(yè)有化肥、畜牧業(yè)，還有建筑這一塊，可以分解成多個(gè)行業(yè)進(jìn)行技術(shù)、政策以及各方面的考慮。但是到今天為止，還有很多的技術(shù)還沒(méi)有發(fā)明，還沒(méi)有合適的技術(shù)，剛才趙老師講了Long duration energy storage，根據現狀來(lái)說(shuō)這是首要的，長(cháng)時(shí)間儲能，讓太陽(yáng)能、風(fēng)能入網(wǎng)跟電網(wǎng)連接。第二更高能量密度、更低成本的電池是需要的，第三個(gè)碳捕捉以及去除、可持續燃料，能源系統的數字化、人工智能化對系統的集成，低碳鋼、低碳水泥、重新發(fā)明塑料，還有核能，包括核聚變等等，這些都是非常重要的潛在技術(shù)需要發(fā)展。
在斯坦福大學(xué)過(guò)去的二十年投入很大，來(lái)支持可持續的發(fā)展，也建立了非常強大的生態(tài)系統，三百多位教授，一千多位博士生、博士后參與到能源、科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟、政策的研究上，包括美國前政要多位國務(wù)卿部長(cháng)、能源部長(cháng)級別的人參與到這上面的攻關(guān)當中來(lái)，我作為能源研究所的主任，大概三年前開(kāi)始任這個(gè)職位，所起的作用就是協(xié)調和組織整個(gè)大學(xué)的跨系的、跨學(xué)院的科研攻關(guān)。
建立這個(gè)能源研究所是組織所有的學(xué)校，每個(gè)系、每個(gè)學(xué)院都有自己的組織，我們就需要把大家組織起來(lái)，需要花點(diǎn)時(shí)間，斯坦福在這個(gè)上面做的不錯。形成了整個(gè)生態(tài)系統，比特瓦特計劃，大概五年前啟動(dòng)前的，讓電網(wǎng)去碳化、儲能啟動(dòng)計劃，電池是最重要的一部分，包括長(cháng)時(shí)間儲能，包括電動(dòng)汽車(chē)所用的電池，天然氣啟動(dòng)計劃，催化中心和材料中心，由美國能源部出資建立的?，F在計劃去碳啟動(dòng)計劃，HYDROGEN氫氣，以及可持續制造業(yè)，這些都很重要，還有技術(shù)的轉移，斯坦福身在硅谷，可以說(shuō)去年七八十年，斯坦福創(chuàng )立了這個(gè)硅谷，同時(shí)硅谷也哺育了斯坦福，過(guò)去十年斯坦福大學(xué)大概出了一百多個(gè)公司，就是跟能源相關(guān)的，還有全球的GLOBAL，最近我也把斯坦福大學(xué)還有國內的幾所大學(xué)，我們想組織一個(gè)中美氣候和能源的論壇，繼續要保持很多的對話(huà)，這樣合作起來(lái)才能達到碳中和，這個(gè)正在籌劃當中。
跟大家分享一下斯坦福最近成立了可持續發(fā)展學(xué)院，里面很重要的一個(gè)就是左邊這個(gè)叫斯坦?？沙掷m發(fā)展加速器，大概四個(gè)月之前，斯坦福任命我為首任的主任，這里面就進(jìn)行更加有目標性的科研攻關(guān)，以第一個(gè)為例，我們宣布了從大氣當中把溫室效應的去除，2050年之前能達到五十億噸，甚至一百億噸的級別，到底到什么樣的規?；?，現在是把學(xué)校內部教授學(xué)生的力量組織起來(lái)，還有跟外部的交流，無(wú)論是技術(shù)的、政策的，還是市場(chǎng)的、經(jīng)濟的，還有產(chǎn)業(yè)鏈的，要把這些東西研究清楚，最后達到這個(gè)目標，11月份、12月份的時(shí)候，會(huì )宣布新的三個(gè)針對人類(lèi)可持續發(fā)展的大問(wèn)題，把資源集中在上面進(jìn)行科研攻關(guān)，能產(chǎn)生新的方案。
我自己一直是做納米和材料科技的，第二部分給大家介紹一下，過(guò)去高能量密度的鋰電池，成立了amprius公司，同時(shí)成立了4C Air公司，大概五年前成立了技術(shù)加速器公司，另外這個(gè)是儲能公司，還有冷熱布料的公司，還有水的公司，還有其他一系列的技術(shù)正在加速當中。今天時(shí)間比較短，分享一下，跟這個(gè)會(huì )議最有關(guān)系的，去碳化在交通行業(yè)，還有電網(wǎng)行業(yè)，這兩大塊是巨大的，大概18年前我進(jìn)入斯坦福做教授的時(shí)候，剛開(kāi)始做的就是高能量密度電池，是不是能把280瓦時(shí)每公斤到500甚至到1000瓦時(shí)每公斤，這需要新材料的介入，這個(gè)市場(chǎng)很大了。涉及到取代石墨，石墨是現有的集料，存儲鋰離子，能把硅負極、金屬鋰負極用好的，現在有10倍的單位質(zhì)量?jì)Υ媪?，這些新材料非常有意義能攻關(guān)下來(lái)。正極的磷酸鐵鋰也好、三元也好能不能用，硫也存儲的鋰離子量，是現有的這些金屬氧化物的10倍，而且巨便宜，不受豐度的影響，這樣可以達到高能量密度，而且價(jià)格會(huì )越來(lái)越便宜，我們實(shí)驗室在這上面已經(jīng)做了二十年了，沿著(zhù)這條路走，對這個(gè)新材料的設計解決問(wèn)題，比如硅負極，我們12代材料的設計，怎么樣解決體積膨脹、破裂、界面不穩定的問(wèn)題，整個(gè)學(xué)術(shù)界見(jiàn)證了過(guò)去15年、20年整個(gè)革命性的變化，新材料的變化，過(guò)去的石墨、三元、磷酸鐵鋰體積膨脹非常得小，新材料涉及到很大變化的時(shí)候，到底材料科學(xué)上應該怎么樣設計，我們實(shí)驗室在這上面做的，從最早的納米線(xiàn)做到今天，到2008年我成立了Amprius公司，電池已經(jīng)供給無(wú)人機，但生產(chǎn)成本還要再下降，這樣可以大量進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)，硅負極很大的特點(diǎn)就是能夠充電，6分鐘可以充到80%，這是石墨做不到的，Amprius也把硅負極的技術(shù)推到了市場(chǎng)化的程度，去年9月22號在紐交所上市。大家看到全世界有不少的公司在做硅負極的科研攻關(guān)，把它產(chǎn)業(yè)化，我希望有更多的公司能把硅負極做成，這樣會(huì )把電池能量密度基本上達到3倍的程度，這樣500瓦時(shí)每公斤的電池會(huì )被產(chǎn)業(yè)化，對電動(dòng)汽車(chē)的行業(yè)影響很大。
第二就是長(cháng)時(shí)間儲能，趙老師剛才也講了，講的是流體電池，我給大家分享一個(gè)新的電化學(xué)，背景就不講了，里面一個(gè)是成本，一個(gè)是壽命要特別長(cháng)，要不投入這么大的時(shí)候壽命不夠，包括循環(huán)壽命，最好達到30年，最好達到一萬(wàn)一千次循環(huán)，三萬(wàn)次循環(huán)更好，一天可以充放三次。還有在特別冷、特別熱的地方電池要能用，像鋰電池現在都要裝空調，熱也不行，冷也不行，維護成本很高，還要很安全，著(zhù)火爆炸時(shí)有發(fā)生，即使是磷酸鐵鋰一樣著(zhù)火爆炸，可循序性要好。大概五年前，我實(shí)驗室發(fā)表了金屬氫氣電池，包括鎳氫氣、錳氫氣，負極是氫氣變水，正極是氫氧化鎳變成鎳氧氫氧化物，或者是錳變成二氧化錳，我們發(fā)明了一系列的，或者重新發(fā)明吧，因為鎳氫氣過(guò)去在航空航天存在，但是我們把價(jià)格做的很低，通過(guò)改變催化劑的形式，基本上可以達到三萬(wàn)次循環(huán)三十年的壽命，水溶液通過(guò)了最高的安全測試，UL的認證，絕對不會(huì )著(zhù)火爆炸，不管對電池干什么都不會(huì )有安全事故。最近并到了EnerVenue這個(gè)公司，現在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，基本上接到了大概20億美元的訂單，這個(gè)市場(chǎng)反響特別好，現在正在建GWh的生產(chǎn)線(xiàn)，在中國、在美國、在全世界進(jìn)行銷(xiāo)售和產(chǎn)業(yè)化。
最后總結一下，剛才說(shuō)的材料和納米科技，對可持續發(fā)展是有很大的影響，就兩個(gè)例子，高能量密度的電池，還有儲能的電池。
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