七月,驕陽似火,筆者在中國科學(xué)院物理所的一間辦公室里如約見到了李泓研究員。
李泓研究員一直致力于鋰電池材料及其相關(guān)的固體離子學(xué)的研究。采訪中,他不斷表示,非常慶幸能夠跟隨陳立泉、黃學(xué)杰兩位老師領(lǐng)銜的物理所團(tuán)隊(duì)一起在這一基礎(chǔ)與應(yīng)用并重的領(lǐng)域長期工作,攻堅(jiān)克難。
電池材料 前景廣闊
“電池的應(yīng)用滲透于人類生活的方方面面,有廣泛的用武之地。”李泓向記者這樣介紹儲(chǔ)能材料的應(yīng)用前景。
清潔高效的電池技術(shù)一直是戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。特別是近年來,隨著消費(fèi)電子、電動(dòng)交通工具、基于太陽能與風(fēng)能的分步式能源系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰、儲(chǔ)備電源、綠色建筑、航空航天、機(jī)器人、國家安全等領(lǐng)域的飛速發(fā)展,迫切需要具有更高能量密度、更高功率密度、更長壽命的可充放儲(chǔ)能器件。實(shí)際上,從鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池,到鋰離子電池,化學(xué)電源技術(shù)在過去200年取得了長足發(fā)展,能量密度也不斷提高。與其它蓄電池比較,鋰離子電池具有能量密度高、能量效率高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、快速放電、自放電率低、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點(diǎn),成為世界各國科學(xué)家努力研究的重要方向。
“目前鋰離子電池主要由日本、韓國、中國制造。韓國企業(yè)的鋰電產(chǎn)量不斷增長,并在2011年后已居于世界領(lǐng)先,中國的鋰電產(chǎn)品占據(jù)20%的世界市場份額,近幾年增幅緩慢。與日本、韓國、美國、歐洲等相比,在核心技術(shù)的創(chuàng)新研究方面還存在一定的差距。從基礎(chǔ)研究做起,力圖產(chǎn)生能夠應(yīng)用的原創(chuàng)研究成果,通過廣泛的合作,解決技術(shù)放大過程中的瓶頸問題,從而提升我國企業(yè)的技術(shù)水平,是我們實(shí)驗(yàn)室的主要努力方向。”李泓研究員表示。
立足團(tuán)隊(duì) 創(chuàng)新報(bào)國
自1982年陳立泉院士創(chuàng)建固態(tài)離子學(xué)研究組開始,中科院物理所在先進(jìn)儲(chǔ)能材料與器件的研發(fā)方面已經(jīng)有30年的積累,從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化,形成了較為連貫的研究體系。
據(jù)李泓研究員介紹, 早在1982年,陳立泉領(lǐng)導(dǎo)課題小組開始了鋰離子導(dǎo)體的研究工作。在科技部、中科院、基金委、其他國家和企業(yè)項(xiàng)目支持下,長期以來開展鋰二次電池及其關(guān)鍵材料研究。
“既要理解電池中的基礎(chǔ)科學(xué)問題,又要了解實(shí)際技術(shù)問題并提出實(shí)用的解決方案。只有理論與實(shí)踐并重,才有可能推動(dòng)鋰電池材料學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。”李泓告訴我們,這是物理所研究團(tuán)隊(duì)一直以來的重要發(fā)展理念。
鋰離子電池根據(jù)應(yīng)用的不同主要分為高能量密度、高功率密度、長壽命三類電池。提高能量密度一直是電池領(lǐng)域研究的主要目標(biāo),其關(guān)鍵是發(fā)展高容量的正極材料、負(fù)極材料以及與之匹配的電解質(zhì)材料。提高電池能量密度的難點(diǎn)在于研究出能同時(shí)滿足多達(dá)10項(xiàng)性能指標(biāo)要求的材料。迄今為止,商業(yè)化鋰離子電池的正極材料包括層狀鈷酸鋰、尖晶石錳酸鋰、橄欖石磷酸鐵鋰、三元層狀正極材料,負(fù)極材料包括石墨和尖晶石鈦酸鋰。主要由美國的J.Goodenough、M.Thackeray、加拿大J.Dahn和日本的T.Ohzuku四位科學(xué)家發(fā)明,最晚發(fā)明的材料迄今已有14年。
和中國其他的研究團(tuán)隊(duì)一樣,物理所團(tuán)隊(duì)一直希望通過持續(xù)的基礎(chǔ)研究,能夠在鋰離子電池材料以及未來的電池體系開發(fā)中,做出屬于中國的原創(chuàng)的貢獻(xiàn)。
在磷酸鐵鋰正極材料基礎(chǔ)研究方面,物理所擁有理論計(jì)算、先進(jìn)表征、材料制備、電化學(xué)、鋰離子電池等不同研究背景的人員,并進(jìn)行了歷時(shí)十年的合作研究。2001年,根據(jù)第一性原理計(jì)算,對材料的電子結(jié)構(gòu)和離子通道首先獲得了較為準(zhǔn)確深入的理解。在發(fā)現(xiàn)該類材料具有一維離子導(dǎo)電特性后,物理所在國際上率先提出在鐵位鈉摻雜的設(shè)計(jì)思想,并申請系列專利,均獲得授權(quán)。磷酸鐵鋰的原始專利由美國的著名科學(xué)家Goodenough等提出,物理所提出的鐵位鈉摻雜方案在最早的兩個(gè)發(fā)明專利中并沒有包括。通過穆斯鮑爾譜方法、中子衍射方法、電導(dǎo)測量、第一性原理計(jì)算等該方案獲得理論與實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。法國科學(xué)家Julien于2009年在Chemistry of Materials的評述文章中指出鐵位鈉摻雜是唯一合理的磷酸鐵鋰摻雜方案。
物理所在國際上較早開展納米氧化亞錫負(fù)極材料的研究。通過與物理所透射電鏡團(tuán)隊(duì)的合作,在國際上最早發(fā)現(xiàn),該類材料具有較好循環(huán)性的關(guān)鍵是納米尺寸的晶粒分散在無定形介質(zhì)中?;谶@一發(fā)現(xiàn),物理所在國際上率先提出采用納米硅作為負(fù)極材料,并先后與金屬所、北京大學(xué)合作研究證實(shí)了納米硅比微米硅的循環(huán)性顯著提高,并對其儲(chǔ)鋰機(jī)制進(jìn)行了初步研究。之后的13年里,物理所一直對硅負(fù)極材料的體積變化、結(jié)構(gòu)演化、表面副反應(yīng)、尺寸效應(yīng)、表面修飾、納米結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料等方面持續(xù)研發(fā),公開報(bào)導(dǎo)的研究結(jié)果獲得了國際上的廣泛關(guān)注。目前,在鋰離子電池硅負(fù)極方面發(fā)表的學(xué)術(shù)論文已經(jīng)超過1000篇,國際上公認(rèn)納米硅負(fù)極材料是最有希望應(yīng)用于高能量密度鋰離子電池的負(fù)極材料。物理所在該系列材料的材料體系、制備方法、應(yīng)用方面均獲得授權(quán)發(fā)明專利。
上述研究成果的獲得離不開前期持續(xù)的基礎(chǔ)科學(xué)研究。目前,改性錳酸鋰正極材料、功能電解液已量產(chǎn)并應(yīng)用在動(dòng)力電池中,磷酸鐵鋰、硅負(fù)極、鈦酸鋰、層狀氧化物正極材料均已進(jìn)入中試研發(fā)階段。
物理所研究團(tuán)隊(duì)除了專注于鋰離子電池材料的基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究外,在動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面亦取得了進(jìn)展。1996年1月,由黃學(xué)杰研究員領(lǐng)導(dǎo)的物理所團(tuán)隊(duì)研制的A型鋰離子電池通過中科院鑒定,1998年年產(chǎn)20萬只電池中試線建成并通過驗(yàn)收,獲中科院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。1999年和成都地奧、北京創(chuàng)投等公司聯(lián)合組建北京星恒電源有限公司,在八大處高科技園建成了生產(chǎn)基地,建成鋰離子動(dòng)力電池中式線,2003年在聯(lián)想控股的支持下,設(shè)立蘇州星恒電源有限公司,致力于鋰離子動(dòng)力電池專業(yè)生產(chǎn)。開發(fā)的動(dòng)力型鋰離子電池組和管理系統(tǒng)已經(jīng)成功地運(yùn)用在同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院負(fù)責(zé)的混合動(dòng)力汽車整車項(xiàng)目中,并先后在“超越系列”、奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)、法國Mia電動(dòng)出租汽車項(xiàng)目、磁懸浮列車中獲得應(yīng)用,在歐洲電動(dòng)自行車鋰離子電池電芯的市場份額方面位居前三。
“雖然人人都使用鋰離子電池,但事實(shí)上沒有人對鋰電池的性能滿意,迫切渴望開發(fā)續(xù)航時(shí)間長、充電速率高的電池。電池是很多前沿技術(shù)的核心支撐技術(shù),因此各國政府都制定國家發(fā)展戰(zhàn)略并投入巨大的人力、物力、財(cái)力來支持研發(fā)。在激烈競爭下,當(dāng)前我國鋰電池?zé)o論是產(chǎn)業(yè)還是基礎(chǔ)研究工作所面臨的形勢都十分嚴(yán)峻。在電池材料的基礎(chǔ)研究,高品質(zhì)材料的規(guī)模制備,先進(jìn)研究手段和設(shè)備的開發(fā),電池失效診斷分析,電池安全性,復(fù)雜電池系統(tǒng)的智能管理,自動(dòng)化電池制造設(shè)備,高性能標(biāo)準(zhǔn)化電池檢測儀器方面,我們與美國、日本、韓國、歐洲等國家的先進(jìn)團(tuán)隊(duì)和制造企業(yè)相比,仍然還存在著顯著的差距。”通過與國內(nèi)外科研人員、政府機(jī)構(gòu)、企業(yè)人員的交流,李泓研究員深深體會(huì)到“我們國家應(yīng)該努力最大限度地發(fā)揮各個(gè)研究團(tuán)隊(duì)、生產(chǎn)企業(yè)、政府部門的作用和積極性,合理布局,密切協(xié)作,練好內(nèi)功,取長補(bǔ)短,發(fā)揮各方面的優(yōu)勢,通過系統(tǒng)扎實(shí)的工作,奮起直追,才可能在較短的時(shí)間內(nèi)居于領(lǐng)先地位。”
“略微遺憾的是目前我國學(xué)術(shù)界發(fā)表的學(xué)術(shù)論文還不能全面地針對電池應(yīng)用和研發(fā)中出現(xiàn)的實(shí)際問題,企業(yè)的創(chuàng)新研究積累還不夠,而學(xué)術(shù)界與制造企業(yè)的關(guān)聯(lián)和合作還不是非常緊密。研究成果不能較快較好地轉(zhuǎn)移到企業(yè)中,對于提升企業(yè)的核心競爭力幫助不大。在鋰離子電池基礎(chǔ)研究方面,我國發(fā)表的鋰電池的學(xué)術(shù)論文的數(shù)量已經(jīng)位于世界第一,但能夠提出新材料體系或者能提出有效的材料改進(jìn)方案、對電池中的基礎(chǔ)科學(xué)問題給予令人信服的解釋,設(shè)計(jì)出新電池體系的研究成果還為數(shù)較少。”
“中國的優(yōu)勢在于人才、原材料、制造成本、高效完整的產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)品達(dá)到世界領(lǐng)先水平,并非絕不可能。制造出高質(zhì)量、高性能、高可靠、高安全的電池,這需要科技部、國家自然科學(xué)基金委、工信部、科學(xué)院、教育部等國家和地方政府部門聯(lián)合起來,制定切實(shí)可行的長期的發(fā)展規(guī)劃,整合優(yōu)勢資源,加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作,加強(qiáng)自動(dòng)化制造裝備與測試設(shè)備的研發(fā),同時(shí)對產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行集中攻關(guān),產(chǎn)生集群優(yōu)勢。”
最近,通過自主研發(fā)以及與國內(nèi)、國際上多個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的合作,利用同步輻射光源技術(shù)、中子技術(shù)、球差校正電鏡技術(shù)、掃描隧道顯微鏡技術(shù)、薄膜技術(shù),結(jié)合第一性原理分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法,高通量材料計(jì)算方法等,物理所在鋰電池材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制,材料的表界面電子與晶體結(jié)構(gòu)演化方面取得了更深入的認(rèn)識(shí)。對此,李泓研究員表示,科學(xué)家的獨(dú)創(chuàng)精神和個(gè)人興趣在推動(dòng)原創(chuàng)技術(shù)發(fā)展方面確實(shí)很重要。但面對復(fù)雜體系的研究,特別是需要將創(chuàng)新技術(shù)變?yōu)閷?shí)用技術(shù)時(shí),合作顯然有助于更快、更深入、更全面獲得研究成果。在針對復(fù)雜應(yīng)用技術(shù)的鋰電池研究領(lǐng)域,尤其如此。密切的合作需要合作方彼此謙讓,利益共享,高度信任。
李泓研究員還特別提到,“在物理所研究團(tuán)隊(duì)的成長過程中,陳立泉老師和黃學(xué)杰老師一直身先士卒,不斷給團(tuán)隊(duì)的年輕科研人員創(chuàng)造展示自己的機(jī)會(huì),將個(gè)人的價(jià)值融入于集體的成功之中。”中科院物理所倡導(dǎo)“窮理、有容、惟才、同德”的學(xué)術(shù)理念,在這樣的環(huán)境里從事研究工作,李泓研究員感到非常幸運(yùn),也非常珍惜。
他將和中科院物理所的老師和同學(xué)們一起攻堅(jiān)克難,一起成長進(jìn)步,一起推動(dòng)我國儲(chǔ)能材料與技術(shù)的新發(fā)展。
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