2008年，崔屹提出用纳米级硅线作为硅负极，这样可以减缓导致体相硅负极瓦解的压力和应力。这条思路果然奏效，他和同事将研究成果发表在Nature Nanotechnology，展示了锂离子经硅纳米线流入流出后，纳米线几乎没有遭到破坏。甚至在经过10轮充放电循环后，负极仍具有75%的理论储能量。

　　遗憾的是，硅纳米线比体相硅难以制备，也更为昂贵。于是崔屹与同事开始研究成本更低的硅负极材料。首先，他们利用球形硅纳米颗粒来制备锂离子电池负极。尽管这样可能更便宜，但也引来了第二个问题：随着锂原子的出入，纳米颗粒的收缩和膨胀会使粘合用的胶水开裂。液体电解质会在颗粒间渗透，产生化学反应，在硅纳米颗粒表面形成一个非导电层，即固体电解质相界面膜 （solid-electrolyte interphase, SEI）。这层膜越积越厚，最终会破坏负极的电荷收集能力。崔屹的学生这样形容：“这就像是疤痕组织一样。”

　　几年后，崔屹团队又尝试了另一种纳米技术。他们创造了蛋形纳米粒子，将其包裹在微小的硅纳米粒子 （即“蛋黄”） 周围，这种高传导性的碳外壳可以使锂离子自由地通过。碳壳给硅原子提供了足够的空间进行膨胀和收缩，同时保护它们免受电解质形成SEI层的困扰。2012年发表在Nano Letters上的文章显示，在经过1000次充放电循环后，崔屹团队这种蛋黄壳式 （yolk-shell） 电极仍具有74%的储电能力。

　　两年之后，他们有了进一步突破，这些蛋黄壳式的纳米颗粒被组装成微米级结构，宛如一个微型石榴。这种新的硅纳米球体提高了负极的锂含量，也减少了电解质中的副反应。2014年2月，崔屹在Nature Nanotechnology发表了新的进展，他们的新材料在经过1000次充放电循环后，电池容量仍保持在97%。

　　今年早些时候，崔屹团队公布了一个更加优秀的方案。他们将体相硅材料敲打至微米级别，然后以石墨烯碳层包裹。制成的硅颗粒比之前的“石榴”更大，这种体积尽管在充放电后更容易瓦解，但石墨烯的包裹能够阻止电解质接触到硅材料。同时，这很容易保持破碎颗粒的接触，使其轻松将电荷传递到金属导线。相关成果已发表在Nature Energy上，这种硅颗粒填充量更大，单位体积下动力更强，重要的是其成本也更为低廉。

　　刘俊表示：“他这次的工作真的找对了方向。”

　　在这一技术的驱动下，Amprius公司已经筹集了1亿美元，进行硅负极锂离子电池的商业开发。这种电池成本更低，容量比传统锂离子电池高10%。目前他们已在国内建厂生产手机电池，销售量已经超过100万件。

　　电池的未来

　　除了生产新电池外，崔屹还提到了储能提高40%的原型。用他的话说，这只是未来优秀硅负极电池的开始。

　　现在，他的注意力已经超越了硅材料。其中一个想法就是纯金属锂的负极，这一直被视为终极的负极材料，因为它比硅材料能存储更多的能量，质量也更轻。

　　不过，金属锂负极也面临着难题。首先，SEI层通常会在锂电极周围形成，这是个好消息，因为锂离子可以穿过这层物质，所以SEI层也就充当了锂电极的保护层。但问题在于，随着电池充放电循环，金属锂也像硅颗粒那样膨胀收缩，这种行为会打破SEI保护层。锂离子会在断裂处积聚，形成金属“树突”，在电极中逐渐成长。最终，会刺破电池隔板，使电池短路并起火。

　　传统途径尚不能解决这个问题。但纳米技术或许能带来办法。在尝试阻止金属枝晶形成的时候，崔屹团队通过给负极加装相互连接的纳米碳球来稳定SEI层；另一种方法则在更大的蛋黄壳中，通过金纳米颗粒吸收锂离子，蛋壳则为锂的膨胀和收缩提供了空间，从而保护了SEI层，金属枝晶也不会形成。

　　改进负极只是这场电池大战中的一半。崔屹团队同时还利用相似的纳米技术来改进正极材料，特别是硫材料。就像硅之于负极，硫长久以来也被视为正极材料的不二之选。每个硫原子可以结合两个锂离子，理论上这使正极的储能量翻了几倍。同样重要的是，硫材料实在是便宜。问题在于，硫的导电能力一般，而且会和电解质反应生成危害电池的副产物，可能几次充放电后电池就作废了。另外，在放电过程中，硫正极倾向于囤积电荷，而不是释放它们。

　　在寻求纳米解决方案的时候，崔屹团队用高导电性的二氧化钛外壳将硫粒子包裹，这使其电池容量较传统电池提高了5倍，同时防止有害于电池的副产物形成。研究人员还制作了硫基版本的“石榴”，并将硫固定在又长又细的纳米纤维中。这些革新不仅提升了电池容量，还将库伦效率 （电池放电性能） 从86%提高到99%。

　　崔屹说：“现在我们在电池两极都拥有了高性能的材料。”他希望将来把这两种创新融合到一处，将硅负极和硫正极结合。如果成功，那一定能制造出高容量，低成本，足以改变世界的产品。