開(kāi)啟綠色存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化新時(shí)代

范佳樂(lè)

2019年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予97歲的“鋰電池之父”——美國(guó)科學(xué)家John B. Goodenough等3位科學(xué)家。這一場(chǎng)科學(xué)盛典，讓世人的目光再次聚焦電池領(lǐng)域。

電池有多重要？小到手機(jī)、遙控器等小型電子產(chǎn)品，大到電腦、電動(dòng)汽車(chē)甚至無(wú)人機(jī)……它們的正常運(yùn)行都得益于電池的發(fā)展，但隨著工業(yè)科技的跨越式發(fā)展，電池技術(shù)已經(jīng)成為制約手機(jī)、筆記本電腦等電子設(shè)備甚至新能源汽車(chē)發(fā)展的主要因素。電池技術(shù)一旦得到突破，不亞于一次工業(yè)革命。

為突破電池技術(shù)的“天花板”，無(wú)數(shù)科學(xué)家奔赴在電池研究的各條戰(zhàn)線(xiàn)上，江蘇大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，燃料電池研究所副所長(zhǎng)徐謙和他所在的團(tuán)隊(duì)置身其中?！拔业墓ぷ髦饕侨剂稀⒘饕弘姵仉娀瘜W(xué)能量的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換研究，通過(guò)設(shè)計(jì)、規(guī)范、優(yōu)化電池里各種解液的流動(dòng)，以及質(zhì)量、能量、熱量、電荷的傳輸，達(dá)到用經(jīng)濟(jì)、高效的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與利用的目的?！薄熬G色”“經(jīng)濟(jì)”“高效”……徐謙及其團(tuán)隊(duì)多年追索的目標(biāo)，其實(shí)代表了新一代能源電池的發(fā)展方向。

機(jī)會(huì)留給有所準(zhǔn)備的人

從數(shù)值模擬的角度提出一批新穎的流動(dòng)形式;用實(shí)驗(yàn)的方法，獲取一系列比理論推導(dǎo)更具準(zhǔn)確性的基本參數(shù);較早用一種非水系的綠色類(lèi)離子液體代替水系電解液，不僅擴(kuò)大了電池容量，提高了速度，還避免了沉淀……“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行?！苯鼛啄?，徐謙在數(shù)字模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面的創(chuàng)新探索，折射了他對(duì)科學(xué)的研究態(tài)度和興趣。殊不知，他與燃料、流液電池的“緣分”，并不是一早就開(kāi)始，而是中途偶得。

本科時(shí)，徐謙就讀于江蘇理工大學(xué)（后并為江蘇大學(xué)）動(dòng)力工程系熱能工程專(zhuān)業(yè)，雖也屬于能量范疇，但主要是跟鍋爐、汽輪機(jī)打交道。本科畢業(yè)之后，他以專(zhuān)業(yè)第二名的成績(jī)保送本校繼續(xù)攻讀碩士研究生，恰逢導(dǎo)師剛從美國(guó)東北大學(xué)帶回一些關(guān)于晶體薄膜生長(zhǎng)的新穎課題，所以他從事的是與能量并不太相關(guān)的跨界研究。憑借出色的表現(xiàn)，碩士畢業(yè)后他被江蘇大學(xué)招攬入校并擔(dān)任了1年多的教學(xué)輔導(dǎo)員。

在常人看來(lái)徐謙發(fā)展得順風(fēng)順?biāo)畱?yīng)該順勢(shì)而行，他卻感覺(jué)有點(diǎn)偏離本心：“日常輔導(dǎo)工作繁忙但卻偏離科研，我還是希望能找到能給自己帶來(lái)成就感的目標(biāo)和方向?！睘榇?，他時(shí)常留心一些能源方面的學(xué)術(shù)會(huì)議并積極參加。很快，改變?nèi)松壍赖臋C(jī)會(huì)就來(lái)了：一次去南京參會(huì)，他結(jié)識(shí)了燃料電池研究領(lǐng)域的名家——香港科技大學(xué)趙天壽教授?！霸谂c他交流討論時(shí)，他看我對(duì)能源領(lǐng)域很感興趣，提出如果我英語(yǔ)能力過(guò)關(guān)可以考慮到香港跟他讀博深造。幸運(yùn)的是，此前工作之余我正好考過(guò)了雅思，從此轉(zhuǎn)向燃料電池研究?！绷攘葦?shù)語(yǔ)看似“機(jī)緣巧合”，其實(shí)機(jī)會(huì)從來(lái)只會(huì)留給有準(zhǔn)備的人，徐謙的“幸運(yùn)”就是最佳例證。

進(jìn)入燃料電池這一領(lǐng)域之后，徐謙如入汪洋大海，無(wú)數(shù)未知的奧秘等待他去探索、揭秘。而此前在多領(lǐng)域積累的多學(xué)科知識(shí)為他在這一涉及工程熱力學(xué)、電化學(xué)、材料等交叉學(xué)科的世界里自由探索埋下了堅(jiān)實(shí)伏筆。

博士畢業(yè)在同一課題組擔(dān)任博士后副研究員1年之后，接到江蘇大學(xué)邀請(qǐng)的徐謙毫不猶豫地重回母校懷抱并進(jìn)入新成立的能源研究院，成為江蘇大學(xué)“青年骨干教師培養(yǎng)工程”青年學(xué)術(shù)帶頭人。對(duì)他而言，燃料電池發(fā)電很重要，但重要的還有儲(chǔ)能，這對(duì)于緩解全球能源日趨緊張的局勢(shì)至關(guān)重要，而母校恰好為他提供了合適的平臺(tái)，新的探索大門(mén)亟待他去開(kāi)啟。2017年，徐謙又抓住“江蘇省青年骨干教師海外進(jìn)修項(xiàng)目”的機(jī)會(huì)，赴加拿大滑鐵盧大學(xué)，在加拿大兩院院士Xianguo Li教授課題組深造，接觸到燃料電池領(lǐng)域的低催化劑載量應(yīng)用、膜電極結(jié)構(gòu)精確控制等先進(jìn)技術(shù)，還結(jié)識(shí)了一批北美的研究人員。

站在液流電池研究前沿

當(dāng)前，可再生能源的研究和應(yīng)用推廣已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。但目前大部分可使用的可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）在能源本質(zhì)上仍然是間歇性的，只有發(fā)展出有效、安全、低價(jià)和可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)才能使可再生能源實(shí)用化。

常規(guī)電池一個(gè)主要的缺點(diǎn)是電極既是電池的組成結(jié)構(gòu)又是活性物質(zhì)貯存之處，所以電池的功率密度與存儲(chǔ)容量是矛盾的。液流電池很好地規(guī)避了這一矛盾，所以最適合于大規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用。

迄今為止絕大多數(shù)的液流電池使用的電解液都是水系的。近幾年來(lái)，通過(guò)主持國(guó)家自然科學(xué)青年基金等項(xiàng)目，徐謙帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了對(duì)液流電池關(guān)鍵傳輸參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定及全電池?cái)?shù)值模擬研究，通過(guò)設(shè)計(jì)并組裝一些獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)裝置和模型獲得了一系列準(zhǔn)確可信的關(guān)鍵傳輸參數(shù)（如各價(jià)釩離子在多孔電極中包含彌散效應(yīng)的有效擴(kuò)散率、不同電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)下電池的極限電流之間的差異等），相關(guān)研究為了解液流電池的傳輸機(jī)理提供了理論依據(jù)，為大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)等。成果共發(fā)表了9篇論文，獲得兩項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和1項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利，并在國(guó)家自然基金項(xiàng)目評(píng)比中獲得了“優(yōu)”。

雖然水系液流電池取材廣泛、價(jià)格低廉，但也有先天的缺點(diǎn)：用水系電解液，電池的電壓被限制在水的電解電壓（理論值為1.23V），嚴(yán)重限制了液流電池的能量密度。當(dāng)一種綠色的類(lèi)離子液體——低共熔溶劑（DES）被提出后，徐謙就在國(guó)際上較早地把它應(yīng)用于液流電池。他先后通過(guò)主持江蘇省人力資源和社會(huì)保障廳“六大人才高峰”項(xiàng)目“液流電池低共熔溶劑電解液中的傳輸特性分析及傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的協(xié)同強(qiáng)化研究”與國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“低共熔溶劑中的質(zhì)量-電荷傳輸特性分析及以其為電解液的液流電池性能改善研究”等多個(gè)DES前沿項(xiàng)目并取得了一系列原創(chuàng)成果。這些成果不但在揭示非水體系中耦合的傳質(zhì)與電化學(xué)過(guò)程機(jī)理上具有重要的學(xué)術(shù)意義，而且在可再生能源的高效利用方面也能發(fā)揮積極的作用。

近幾年，徐謙還主持了1項(xiàng)泰州新能源研究院產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)課題，旨在進(jìn)行一種快速組裝可精確控溫控壓燃料電池測(cè)試裝置開(kāi)發(fā)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于將光電池與液流電池集成在一起形成一個(gè)緊湊的器件，可以直接用太陽(yáng)光給器件充電并以液流電池的形式對(duì)外供電。還與蘇州一家企業(yè)合作，擬將AI技術(shù)引用于儲(chǔ)能裝置與系統(tǒng)。關(guān)鍵材料、核心部件研發(fā)及電池系統(tǒng)集成創(chuàng)新代表了一個(gè)未來(lái)新的發(fā)展趨勢(shì)，也是徐謙給自己設(shè)定的努力方向之一。從原先的一路跟跑到現(xiàn)在開(kāi)始有一些原始創(chuàng)新，篤定未來(lái)發(fā)展方向，徐謙和他的團(tuán)隊(duì)做好了砥礪前行的準(zhǔn)備。

傳承底蘊(yùn)致力創(chuàng)新

“葑溪之西，胥江之東……山寶海涵，春華秋實(shí)，聲教暨寰中……”作為一名土生土長(zhǎng)的江南人，家鄉(xiāng)厚重的文化積蘊(yùn)和對(duì)教化的重視可以說(shuō)深入徐謙的骨子里。出身書(shū)香世家的他，祖父8位子女中有6位進(jìn)入大學(xué)就讀，有5位從事過(guò)教師職業(yè)，其中有4位是大學(xué)老師，跟徐謙同輩的兄弟姐妹中也有很多都是教師。雖說(shuō)不是早有從教的志向，但多年家庭的潛移默化讓他在高校里潤(rùn)花著果的工作也頗有傳承底蘊(yùn)、致力創(chuàng)新的韻味。

點(diǎn)亮燈塔，照亮前行。時(shí)至今日，徐謙還感念那些曾經(jīng)為他照亮前行的恩師：有思路開(kāi)闊，經(jīng)常鼓勵(lì)他不要妄自菲薄的碩士導(dǎo)師——左然教授;有為人寬厚、為學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟┦繉?dǎo)師——中國(guó)科學(xué)院院士趙天壽教授……曾經(jīng)沐浴師恩茁壯成長(zhǎng)的徐謙如今也想給學(xué)生帶去同樣的影響和感受。

“師者，傳道授業(yè)解惑也?！痹谂囵B(yǎng)學(xué)生的過(guò)程中，徐謙總是親力親為，帶實(shí)驗(yàn)、改論文，并結(jié)合自身經(jīng)歷，努力創(chuàng)造條件讓學(xué)生參會(huì)作報(bào)告，并創(chuàng)造機(jī)會(huì)送他們?nèi)ズＭ馍钤?。難忘燈下苦讀、通宵熬夜做實(shí)驗(yàn)時(shí)的艱辛;難忘論文投稿獲得通過(guò)時(shí)的喜悅，這些科研過(guò)程的悲與樂(lè)他都會(huì)跟學(xué)生一一分享并帶去啟發(fā)。他所在的江蘇大學(xué)能源研究院燃料電池研究所現(xiàn)擁有20多人的團(tuán)隊(duì)。作為研究所的副所長(zhǎng)，徐謙承擔(dān)了重要的組織管理和教研工作。在徐謙的影響下，“朝氣蓬勃”“充滿(mǎn)國(guó)際范兒”已經(jīng)成為這支團(tuán)隊(duì)的一大特色。所里的幾個(gè)博士后，分別來(lái)自英國(guó)、伊朗、印度、巴基斯坦等國(guó)家。每周，徐謙都會(huì)把大家聚集在一起，用自由討論、發(fā)言的形式進(jìn)行溝通交流，讓大家在交流碰撞的過(guò)程中收獲快樂(lè)成長(zhǎng)。桃李不言，下自成蹊。如今，徐謙團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)的不少學(xué)生已經(jīng)成為上海大眾電動(dòng)汽車(chē)公司、寧德時(shí)代等大企業(yè)的骨干。

致力光電池與液流電池集成的同時(shí)，徐謙還有一個(gè)未來(lái)目標(biāo)——從植物里提取出特殊的活性物質(zhì)作為電池的電解液，這種不含金屬的有機(jī)體系液流電池不僅可實(shí)現(xiàn)充、放電，而且環(huán)境友好，價(jià)格低廉。未來(lái)已來(lái)，定下目標(biāo)，徐謙只顧風(fēng)雨兼程。