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发帖数: 808 | 1 2013年暮春硅谷纪行
本次Globalpress全球电子峰会组织者邀请了两位斯坦福大学的教授进行演讲，而且均
为华裔。一位是斯坦福大学材料科学与工程系教授崔毅（Yi Cui，音），另一位是斯坦
福大学化学工程系女教授鲍哲楠（ZheNan Bao，音）。演讲结束后，众多欧美听众争相
与他们请教其科研成果及未来的应用前景。这再次表明华人教授以在全球顶级高校基础
研究领域的科研成果获得了令世人瞩目和尊敬的地位。
纳米材料
4月15日，本次峰会第一天，崔毅（见图1）作了题为“纳米材料创新——从电
子、能量收集与存储到环境技术”的首场演讲。
http://china.nikkeibp.com.cn/bpimages/show/images/image2013/04/
图1 斯坦福大学材料科学与工程系教授崔毅
他以高能电池；印在纸、织物和海绵上的储能装置；透明电池；透明导电电极
；纳米净水过滤器等5个例子，阐述了纳米材料在未来应用中的重要性。
一、高能电池
崔毅指出，目前，锂离子电池材料面临的问题包括：固体中的电子传输；液体
和固体中的离子扩散；结构和体积的变化；固体电解质中间相(SEI膜)。
因此，崔毅和他领导的研究团队考虑用硅材料作负极。硅负极的比容量为4200
mAh/g，比碳负极高10倍。但不足之处是，在充电过程中，随着吸收锂离子，硅体积会
膨胀4倍。这会造成硅结构的断裂，从而导致电池容量越来越小。
崔毅介绍了他们的研究成果。第一代硅负极——固体纳米线技术。最开始采用
了气液固（VLS）生长机制，之后是溶液-液体-固体（SLS）生长机制。硅纳米线可缩短
锂离子扩散的距离，提供连续的电子传输通道，这些有助于提高电池容量；同时还具有
良好的应力释放和界面控制能力，可提高电池循环寿命。
第二代技术是核壳（Core-shell）结构，包括晶体-非结晶硅，C-Si核壳，及
TiC/C-Si核壳。第三代是可较快释放应力的中空结构（见图2）。第四代是可实现稳定
SEI膜的双层中空结构，碳纳米管具有超长的循环寿命（见图3）。
图2 崔毅和他领导的团队研究出的第三代硅负极的中空结构，及放电与循环特性。
图3 第四代技术是可实现稳定SEI膜的双层中空结构，碳纳米管具有超长的循环寿命。
第五代是低成本的“蛋黄壳（Yolk-Shell）”结构（见图4）。将硫阴极制成每
个直径为800nm的纳米颗粒群，每个硫块外有一层坚硬外壳的多孔钛氧化物。放电过程
中，硫阴极吸收锂离子，但即使体积膨胀后也不会使壳破裂，锂硫化合物也不会被电解
质溶剂溶解。1000次循环后，硫阴极还有最初储能量的70%。
图4 第五代的“蛋黄壳”结构
二、纳米管纸
今后，纤维纸会集成更多的功能材料。例如，碳纳米管可涂敷在由三维超细纤维构成的
纸上，毛孔渗透结构可使离子快速进入纳米管。纳米管纸有很高的传导性，很强的附着
力，很好的机械弯曲韧性。纳米管纸超级电容器的能量密度和功率密度都很高（见图5
）。由碳纳米管做成的纸电池可应用在便携式电子产品和电动汽车上。
图5 纳米管纸超级电容器的能量密度和功率密度都很高
三、透明电池
崔毅表示，透明电池电极的90%是活性材料，如LiCoO2、LiMn2O4等做正极，石
墨做负极；5~8%是碳黑，2~5%是聚合物粘合剂。
由于人眼的最大分辨率在50~100μm，因此，要想达到透明效果，电极上排列的
网格要在50μm以下。透明电池由电极材料、透明凝胶电解质和金（Au）集电器组成。
他介绍了电极材料的制作流程：把聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂在有网格状凸起的
硅模版上，然后在PDMS上镀一层金膜，接着，倒上电极浆料，使其填满网格间的缝隙，
最后掀掉金膜即可（见图6）。
图6 透明电池电极材料的制作流程
透明电池采用LiMn2O4或Li4Ti5O12作正极的电压和比容量曲线如图7所示。装有
透明电池的智能手机如图8所示。
图7 透明电池采用LiMn2O4或Li4Ti5O12作正极的电压和比容量曲线
图8 装有透明电池的智能手机
四、透明导电电极
铟锡氧化物（ITO）由于铟的自然储量少，溅射成本高，弯曲时很脆，所以不适于作透
明导电电极。而纳米纤维比较适合。铜、氧化铜、PVA/CuAc2混合物纳米纤维的合成过
程如图9所示。
图9 铜、氧化铜、PVA/CuAc2混合物纳米纤维的合成过程
崔毅表示，透明导电电极主要用于太阳能电池、显示器、触摸屏、OLED和智能
门窗等。
五、纳米净水过滤器
目前的净水方式主要有物理分离、化学、紫外线和煮沸，存在着速度慢，价格
贵，滤芯要常换，耗能等问题。而采用碳纳米管和银纳米线的过滤技术，可避免上述问
题，并可有效杀灭大肠杆菌、肠球菌、沙门氏菌、杆菌等（见图10）。
图10 采用碳纳米管和银纳米线技术的净水装置具有很高的杀菌效率
人造电子皮肤
美女化学家鲍哲楠教授（见图11）的“人造电子皮肤”是峰会第二天的首场演
讲。她首先解释了电子皮肤，即“超级皮肤”的概念。电子皮肤包括触摸传感器、化学
或生物传感器（如空气环境中的电子鼻子或液体环境中的电子舌头）、柔性可伸展材料
、无人体排斥的生物适应或可生物降解、自供电的可伸展太阳能电池及自愈能力等。设
计方式有分子设计、形态学设计和功能设计。应用领域含机器人、医疗设备、触摸屏和
柔性屏等方面。
图11 斯坦福大学化学工程系教授鲍哲楠
对用于移动健康方面的人造电子皮肤，鲍哲楠介绍说，其领导的团队中的
Stefan Mannsfeld和Benjamin Tee研究出了有机薄膜晶体管（OTFT）压力触摸传感器。
可由化学或生物方式的分子绑定及外部压力，调整OTFT中的电流流动方式，在OTFT上涂
敷一层柔软的可压缩橡胶，就形成了人造电子皮肤。该触摸传感器灵敏度极高，可感知
苍蝇所产生的20mg~3Pa那样微小的压力，这种压力大约只有妈妈非常轻柔地亲吻自己婴
儿时压力的1/300（见图12）。这种触觉传感器可用于皮肤移植，或改进没有感知力的
假肢。
图12 鲍哲楠领导的团队中的Stefan Mannsfeld和Benjamin Tee研究出了有机薄膜晶体
管（OTFT）压力触摸传感器。其灵敏度极高，可感知苍蝇所产生的20mg~3Pa那样微小的
压力，这种压力大约只有妈妈非常轻柔地亲吻自己婴儿时压力的1/300。
同样是鲍哲楠团队成员的Gregor Schwartz博士研究出了心搏传感器（见图13）
。其感测到的全脉冲波有助于血压监测、心律失常检测、心脏缺陷及血管疾病等的医疗
诊断。
图13 鲍哲楠团队成员Gregor Schwartz博士研究出的心搏传感器结构示意图及特性
她的学生Jin Jeon研究出了柔性体温传感器，其输出电压、电阻率与体温的关
系曲线如图14所示。此外，该团队研究的透明、可伸展压力传感器的传导率大于1000S/
cm，透光率大于70%。
图14 鲍哲楠学生Jin Jeon研究出的柔性体温传感器的输出电压、电阻率与体温的关系
曲线
鲍哲楠的学生Chao Wang和Benjamin Tee还拥有一项像人类皮肤那样可完全自愈
的电子皮肤的研究成果。
演讲结束后，笔者与鲍哲楠攀谈时得知，她是南京人，在南京大学化学系读本
科期间，转入了美国伊利诺州立大学芝加哥分校化学系，得到博士学位后进入贝尔实验
室工作。8年后进入斯坦福大学化学系任教至今。（记者 恩平） |
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