團結(jié)協(xié)作 攻堅克難——專訪中國科學(xué)院物理所研究員李泓

本刊記者 姜曉宏

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)銜的物理所團隊一起在這一基礎(chǔ)與應(yīng)用并重的領(lǐng)域長期工作，攻堅克難。

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?！崩钽蛴浾哌@樣介紹儲能材料的應(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，隨著消費電子、電動交通工具、基于太陽能與風(fēng)能的分步式能源系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰、儲備電源、綠色建筑、航空航天、機器人、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(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，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(xué)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(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，又要了解實際技術(shù)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(xué)科和技術(shù)的發(fā)展?！崩钽嬖V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(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在于研究出能同時滿足多達(dá)10項性能指標(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隊一樣，物理所團隊一直希望通過持續(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。

在磷酸鐵鋰正極材料基礎(chǔ)研究方面，物理所擁有理論計算、先進表征、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(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、第一性原理計算等該方案獲得理論與實驗的證實。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(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(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(chǔ)科學(xué)問題的研究外，在動力鋰離子電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面亦取得了進展。1996年1月，由黃學(xué)杰研究員領(lǐng)導(dǎo)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(shè)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(xué)汽車學(xué)院負(fù)責(zé)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(yīng)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(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(gòu)、企業(yè)人員的交流，李泓研究員深深體會到“我們國家應(yīng)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(lǐng)先地位?！?/p>

“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(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，制定切實可行的長期的發(fā)展規(guī)劃，整合優(yōu)勢資源，加強產(chǎn)學(xué)研合作，加強自動化制造裝備與測試設(shè)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(guān)，產(chǎn)生集群優(yōu)勢?！?/p>

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(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力學(xué)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(jié)構(gòu)演化方面取得了更深入的認(rèn)識。對此，李泓研究員表示，科學(xué)家的獨創(chuàng)精神和個人興趣在推動原創(chuàng)技術(shù)發(fā)展方面確實很重要。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)閷嵱眉夹g(shù)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(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，“在物理所研究團隊的成長過程中，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(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，也非常珍惜。

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