本刊記者 姜曉宏

七月，驕陽似火，筆者在中國科學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的固體離子學的研究。采訪中，他不斷表示，非常慶幸能夠跟隨陳立泉、黃學杰兩位老師領銜的物理所團隊一起在這一基礎與應用并重的領域長期工作，攻堅克難。

電池材料 前景廣闊

“電池的應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能材料的應用前景。

清潔高效的電池技術一直是戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的核心關鍵技術之一。特別是近年來，隨著消費電子、電動交通工具、基于太陽能與風能的分步式能源系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰、儲備電源、綠色建筑、航空航天、機器人、國家安全等領域的飛速發(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能器件。實際上，從鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池，到鋰離子電池，化學電源技術在過去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、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，成為世界各國科學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，在核心技術的創(chuàng)新研究方面還存在一定的差距。從基礎研究做起，力圖產(chǎn)生能夠應用的原創(chuàng)研究成果，通過廣泛的合作，解決技術放大過程中的瓶頸問題，從而提升我國企業(yè)的技術水平，是我們實驗室的主要努力方向。”李泓研究員表示。

立足團隊 創(chuàng)新報國

自1982年陳立泉院士創(chuàng)建固態(tài)離子學研究組開始，中科院物理所在先進儲能材料與器件的研發(fā)方面已經(jīng)有30年的積累，從基礎研究到產(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，陳立泉領導課題小組開始了鋰離子導體的研究工作。在科技部、中科院、基金委、其他國家和企業(yè)項目支持下，長期以來開展鋰二次電池及其關鍵材料研究。

“既要理解電池中的基礎科學問題，又要了解實際技術問題并提出實用的解決方案。只有理論與實踐并重，才有可能推動鋰電池材料學科和技術的發(fā)展。”李泓告訴我們，這是物理所研究團隊一直以來的重要發(fā)展理念。

鋰離子電池根據(jù)應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域研究的主要目標，其關鍵是發(fā)展高容量的正極材料、負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在于研究出能同時滿足多達10項性能指標要求的材料。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隊一樣，物理所團隊一直希望通過持續(xù)的基礎研究，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。

在磷酸鐵鋰正極材料基礎研究方面，物理所擁有理論計算、先進表征、材料制備、電化學、鋰離子電池等不同研究背景的人員，并進行了歷時十年的合作研究。2001年，根據(jù)第一性原理計算，對材料的電子結構和離子通道首先獲得了較為準確深入的理解。在發(fā)現(xiàn)該類材料具有一維離子導電特性后，物理所在國際上率先提出在鐵位鈉摻雜的設計思想，并申請系列專利，均獲得授權。磷酸鐵鋰的原始專利由美國的著名科學家Goodenough等提出，物理所提出的鐵位鈉摻雜方案在最早的兩個發(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、電導測量、第一性原理計算等該方案獲得理論與實驗的證實。法國科學家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極材料的研究。通過與物理所透射電鏡團隊的合作，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極材料，并先后與金屬所、北京大學合作研究證實了納米硅比微米硅的循環(huán)性顯著提高，并對其儲鋰機制進行了初步研究。之后的13年里，物理所一直對硅負極材料的體積變化、結構演化、表面副反應、尺寸效應、表面修飾、納米結構、復合材料等方面持續(xù)研發(fā)，公開報導的研究結果獲得了國際上的廣泛關注。目前，在鋰離子電池硅負極方面發(fā)表的學術論文已經(jīng)超過1000篇，國際上公認納米硅負極材料是最有希望應用于高能量密度鋰離子電池的負極材料。物理所在該系列材料的材料體系、制備方法、應用方面均獲得授權發(fā)明專利。

上述研究成果的獲得離不開前期持續(xù)的基礎科學研究。目前，改性錳酸鋰正極材料、功能電解液已量產(chǎn)并應用在動力電池中，磷酸鐵鋰、硅負極、鈦酸鋰、層狀氧化物正極材料均已進入中試研發(fā)階段。

物理所研究團隊除了專注于鋰離子電池材料的基礎科學問題的研究外，在動力鋰離子電池技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面亦取得了進展。1996年1月，由黃學杰研究員領導的物理所團隊研制的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收，獲中科院科技進步一等獎。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，建成鋰離子動力電池中式線，2003年在聯(lián)想控股的支持下，設立蘇州星恒電源有限公司，致力于鋰離子動力電池專業(yè)生產(chǎn)。開發(fā)的動力型鋰離子電池組和管理系統(tǒng)已經(jīng)成功地運用在同濟大學汽車學院負責的混合動力汽車整車項目中，并先后在“超越系列”、奧運會、世博會、法國Mia電動出租汽車項目、磁懸浮列車中獲得應用，在歐洲電動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，但事實上沒有人對鋰電池的性能滿意，迫切渴望開發(fā)續(xù)航時間長、充電速率高的電池。電池是很多前沿技術的核心支撐技術，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、財力來支持研發(fā)。在激烈競爭下，當前我國鋰電池無論是產(chǎn)業(yè)還是基礎研究工作所面臨的形勢都十分嚴峻。在電池材料的基礎研究，高品質(zhì)材料的規(guī)模制備，先進研究手段和設備的開發(fā)，電池失效診斷分析，電池安全性，復雜電池系統(tǒng)的智能管理，自動化電池制造設備，高性能標準化電池檢測儀器方面，我們與美國、日本、韓國、歐洲等國家的先進團隊和制造企業(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、政府機構、企業(yè)人員的交流，李泓研究員深深體會到“我們國家應該努力最大限度地發(fā)揮各個研究團隊、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，取長補短，發(fā)揮各方面的優(yōu)勢，通過系統(tǒng)扎實的工作，奮起直追，才可能在較短的時間內(nèi)居于領先地位?！?/p>

“略微遺憾的是目前我國學術界發(fā)表的學術論文還不能全面地針對電池應用和研發(fā)中出現(xiàn)的實際問題，企業(yè)的創(chuàng)新研究積累還不夠，而學術界與制造企業(yè)的關聯(lián)和合作還不是非常緊密。研究成果不能較快較好地轉移到企業(yè)中，對于提升企業(yè)的核心競爭力幫助不大。在鋰離子電池基礎研究方面，我國發(fā)表的鋰電池的學術論文的數(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方案、對電池中的基礎科學問題給予令人信服的解釋，設計出新電池體系的研究成果還為數(shù)較少?！?/p>

“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)品達到世界領先水平，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、國家自然科學基金委、工信部、科學院、教育部等國家和地方政府部門聯(lián)合起來，制定切實可行的長期的發(fā)展規(guī)劃，整合優(yōu)勢資源，加強產(chǎn)學研合作，加強自動化制造裝備與測試設備的研發(fā)，同時對產(chǎn)業(yè)鏈的各個薄弱環(huán)節(jié)進行集中攻關，產(chǎn)生集群優(yōu)勢。”

最近，通過自主研發(fā)以及與國內(nèi)、國際上多個研發(fā)團隊的合作，利用同步輻射光源技術、中子技術、球差校正電鏡技術、掃描隧道顯微鏡技術、薄膜技術，結合第一性原理分子動力學計算方法，高通量材料計算方法等,物理所在鋰電池材料的儲鋰機制，材料的表界面電子與晶體結構演化方面取得了更深入的認識。對此，李泓研究員表示，科學家的獨創(chuàng)精神和個人興趣在推動原創(chuàng)技術發(fā)展方面確實很重要。但面對復雜體系的研究，特別是需要將創(chuàng)新技術變?yōu)閷嵱眉夹g時，合作顯然有助于更快、更深入、更全面獲得研究成果。在針對復雜應用技術的鋰電池研究領域，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，“在物理所研究團隊的成長過程中，陳立泉老師和黃學杰老師一直身先士卒，不斷給團隊的年輕科研人員創(chuàng)造展示自己的機會，將個人的價值融入于集體的成功之中。”中科院物理所倡導“窮理、有容、惟才、同德”的學術理念，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，也非常珍惜。

他將和中科院物理所的老師和同學們一起攻堅克難，一起成長進步，一起推動我國儲能材料與技術的新發(fā)展。