黃學(xué)杰：游刃于科研與市場之間的鋰電情緣

黃學(xué)杰是中國科學(xué)院物理研究所的研究員，他行事不拘一格，頗有些像電視劇《亮劍》中的李云龍。

對于科研，他另辟蹊徑，挑戰(zhàn)別人眼里的不可能。1996年，他接下了鋰電池產(chǎn)業(yè)化的艱巨任務(wù)，成為中國鋰離子電池的工業(yè)化生產(chǎn)的第一批推動者。近期又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出新一代鋰動力電池及材料體系，直擊動力電池行業(yè)密度、成本、充電速度等三大痛點(diǎn)。

對于角色轉(zhuǎn)換，他敢于下海，亦舍得上岸。2003年，他和團(tuán)隊(duì)與聯(lián)想投資合作，成立蘇州星恒，將動力電池成果應(yīng)用于動力鋰電生產(chǎn)，建立起電動自行車鋰電頭部企業(yè)——星恒電源。企業(yè)走上正軌之時(shí)的2006年即默默退回了科學(xué)界，今天星恒電源已成為電動輕型車領(lǐng)域的知名品牌，尤其在二輪車鋰離子電池領(lǐng)域生產(chǎn)份額領(lǐng)先。

游刃于科學(xué)研究與社會需求之間，黃學(xué)杰坦言自己希望專注研發(fā)，把一代代的電池及關(guān)鍵科研成果貢獻(xiàn)給新能源行業(yè)，為能源革命出力。為了更深入介紹他對鋰電池的貢獻(xiàn)，記者對黃學(xué)杰進(jìn)行了采訪。

20世紀(jì)80—90年代，照亮廣袤中國鄉(xiāng)村夜晚的，更多的是一束束手電筒發(fā)出的光，它們逐步取代了火把。而成功實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的支撐是手電筒里面的兩節(jié)電池。

本來是去中科院物理研究所進(jìn)行超導(dǎo)材料研究的黃學(xué)杰，去之前自己也不曾想過，會跳到鋰電池領(lǐng)域做研究并扎根于此。

黃學(xué)杰與電池結(jié)緣的故事，源于1988年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)三十周年校慶活動期間結(jié)識了陳立泉院士。當(dāng)時(shí)陳立泉院士的副業(yè)是超導(dǎo)材料研究，主業(yè)是固態(tài)鋰二次電池研發(fā)。黃學(xué)杰從做測量電池性能的計(jì)算機(jī)控制自動充放電儀開始，逐漸迷入其中，之后研究重點(diǎn)就轉(zhuǎn)向了鋰二次固態(tài)電池研究。

從超導(dǎo)行業(yè)跳到電池領(lǐng)域，他說自己也常常被人問到：“你一個(gè)科學(xué)院的科學(xué)家研究手電筒里的東西，有什么好研究的？”

這完全可以理解，當(dāng)時(shí)研究超導(dǎo)聽起來比研究電池要“高大上”得多。

20世紀(jì)80年代末是超導(dǎo)材料研究的大時(shí)代，不少一流科學(xué)家追逐其中。1986年繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)陶瓷性金屬氧化物，并榮獲了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);從1986到1987年，短短一年多的時(shí)間里，臨界超導(dǎo)溫度相繼被不同國家的科學(xué)家提高了近100K。

黃學(xué)杰隱隱感到，鋰電池的研究距離社會應(yīng)用更近，緊迫感更強(qiáng)。

由于氧化物高溫超導(dǎo)材料在應(yīng)用層面未能展開，國內(nèi)外超導(dǎo)研究項(xiàng)目開始收縮，不少科學(xué)家轉(zhuǎn)入電池材料的研究。高溫超導(dǎo)材料和電池的正極材料均有大量的過渡金屬氧化物候選材料，因此也不難理解當(dāng)初“跳槽”大軍的選擇方向。

當(dāng)中有一段時(shí)間，黃學(xué)杰在荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)讀博，在化工與材料系，他一邊研究超導(dǎo)體在不同的氣氛下的電子導(dǎo)電行為，一邊將氧化物材料作為正極研究，發(fā)表了一篇聚合物固態(tài)鋰電池的論文。

那個(gè)年代，研究與社會應(yīng)用的結(jié)合點(diǎn)，似乎存在一些距離。

至1990年，由于鋰固態(tài)電池?zé)o法產(chǎn)業(yè)化，液態(tài)鋰二次電池產(chǎn)品在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)安全事故，該方向的研究也走到了盡頭。

柳暗花明。1991年，索尼宣布推出全球第一款商用鋰離子電池，具備高電壓、體積小、重量輕、使用壽命長等特點(diǎn)。陳立泉院士作為日本東京工業(yè)大學(xué)的客座教授，獲得一次機(jī)會參觀索尼的生產(chǎn)線后，大為觸動。他認(rèn)為，鋰離子電池將會有巨大的應(yīng)用前景，一個(gè)全新的時(shí)代即將來臨。

他火速給中科院的領(lǐng)導(dǎo)寫了信，信中稱：“鋰離子電池必將走向成功，大變革即將來臨?！边@引起了國內(nèi)的重視，一時(shí)間，做固態(tài)鋰電池的科學(xué)家紛紛轉(zhuǎn)變重點(diǎn)攻堅(jiān)鋰離子電池。

1995年，陳立泉院士帶著學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室做出小圓柱電池樣品，但問題也隨之產(chǎn)生：鋰離子電池最終要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和走向市場，但鋰離子電池的生產(chǎn)工藝和裝備在國內(nèi)當(dāng)時(shí)是空白。

1996年初，時(shí)年不到30歲的黃學(xué)杰接任中科院物理所課題組長后，即接受了陳立泉院士交待的任務(wù)，將鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化！

一頭霧水的黃學(xué)杰并未見過鋰電池工業(yè)化的場景，一籌莫展之際，他回想起在荷蘭時(shí)認(rèn)識的朋友日本松下電池研究部部長近藤博士，當(dāng)即訪問了位于大阪的松下電池研究部，參觀了中試車間。在中科院特批專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的支持下，從多家日本裝備企業(yè)引進(jìn)了一批中試設(shè)備，包括間歇式轉(zhuǎn)移涂布機(jī)、卷繞機(jī)、注液機(jī)等，“結(jié)合部分國產(chǎn)設(shè)備，我們建成了中國第一條鋰離子電池中試線。”

1998年，中國的鋰離子電池開始小批量的生產(chǎn)，首先生產(chǎn)的是18650型圓柱鋰電，推向電視臺記者廣泛使用的廣播級攝像機(jī)，至今天，他注冊的“方向”品牌電池仍是該領(lǐng)域的知名品牌，市場份額領(lǐng)先。

從那之后，中國的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)逐步從3C產(chǎn)品應(yīng)用走向儲能應(yīng)用。

打破砂鍋問到底 研究新一代鋰電池

長期扎根基礎(chǔ)研究的黃學(xué)杰，遇到問題時(shí)總愛打破砂鍋問到底。

他認(rèn)為，研究應(yīng)與應(yīng)用相結(jié)合，要解決應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用之一是在新能源汽車領(lǐng)域。而電動汽車尚面臨續(xù)航里程不足、價(jià)格貴、充電速度慢等三大痛點(diǎn)問題。

“我覺得研究成果的經(jīng)濟(jì)性是很重要的。”黃學(xué)杰表示。

黃學(xué)杰了解到，正極材料的成本部分決定了電池整體的成本，其在整個(gè)電芯中成本占比達(dá)30%以上。

他決定從正極材料的研發(fā)入手。

他發(fā)現(xiàn)，早期日本和加拿大的鋰電池研究者嘗試往錳酸鋰摻雜一定量的鎳，把1/4的錳換成鎳的時(shí)候，會形成高電壓的平臺，電池工作電壓大幅度提高，這對于提升電池能量密度和降低成本非常重要。

鎳錳酸鋰作為一種高電壓正極材料，其電壓平臺在4.7V左右，能量密度超過600 Wh/kg，由于鎳錳酸鋰材料主要由鎳元素和錳元素組成，不合鈷元素，因此較為環(huán)保，成本也較為低廉。他認(rèn)為，如果取代現(xiàn)在成本最具優(yōu)勢的磷酸鐵鋰正極材料制造動力電池，單體電池及系統(tǒng)能量密度可提升40%，成本可降低30%。是最有潛力商業(yè)化的下一代高電壓正極材料。

但是，他很快遇到瓶頸，原來電壓過高導(dǎo)致電解液被分解，這個(gè)問題一直無法突破。高電壓下，尖晶石鎳錳酸鋰電池電極材料與電解液之間劇烈的副反應(yīng)，以及副產(chǎn)物對整個(gè)電池體系的破壞，是限制鎳錳酸鋰材料商業(yè)化的最大障礙，這也是不同體系正極材料在未來走向高電壓過程中所遇到的不可避免的難題。

黃學(xué)杰不信邪，躍躍欲試。他很快找到了核心問題所在：界面不穩(wěn)定。只有想辦法將界面穩(wěn)定下來，這個(gè)材料才能用起來。

咬住這個(gè)問題不放，黃學(xué)杰持續(xù)了十幾年時(shí)間，從小課題研究開始，到逐漸加大投入，幾千萬元到上億元的資金砸進(jìn)中試線，最后研發(fā)出表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的正極材料與電解液界面膜和耐高電壓的電池體系，具體包含：高電壓正極材料表面改性技術(shù)，高電壓鎳錳酸鋰材料電解液開發(fā)匹配技術(shù)，高電壓輔助配套材料的匹配技術(shù)，高電壓輔助配套材料的表面改性技術(shù)。

目前三元?jiǎng)恿﹄姵啬芰棵芏雀?，但成本也?而磷酸鐵鋰電池成本低，但系統(tǒng)能量密度不足。高電壓鎳錳酸鋰則兼具兩者的優(yōu)勢，預(yù)期比目前具有成本優(yōu)勢的磷酸鐵鋰電池能量密度高出40%，相應(yīng)成本則降低約30%。

“生產(chǎn)線不用做任何變化?！彼ㄟ^材料的改變來幫助行業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效。

“在續(xù)航里程方面，把新能源車不敢開空調(diào)的電量給它補(bǔ)上了，電池價(jià)格的下降也能讓新能源車突破了補(bǔ)貼的門檻?！秉S學(xué)杰表示。

黃學(xué)杰預(yù)計(jì)，再有一年左右的時(shí)間，部分汽車公司就能用上鎳錳酸鋰電池。

針對新能源車充電速度瓶頸的問題，黃學(xué)杰則開發(fā)出以錫為主的高密度處理合金，由于鋰離子在錫介質(zhì)的傳輸速度是其他材質(zhì)的100倍以上，黃學(xué)杰通過把錫做成納米銀線，混入負(fù)極中，“等于給鋰離子傳輸修了條高速公路，我希望把充電時(shí)間壓縮到10分鐘以內(nèi)?！?/p>

針對這些能改變應(yīng)用現(xiàn)狀的科研成果，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)已成立創(chuàng)業(yè)平臺公司啟動產(chǎn)業(yè)化。

敢于下海 舍得上岸

這不是黃學(xué)杰第一次創(chuàng)業(yè)。

在開公司這件事上，黃學(xué)杰頗有經(jīng)驗(yàn)，而且在中科院系統(tǒng)也獲得過重大支持，動力電池產(chǎn)業(yè)化起步階段的主要投資人是中科院系的成都地奧集團(tuán)和聯(lián)想控股。

這要從他的研究成果說起。

實(shí)際上，黃學(xué)杰在高電壓電池方面是早已開展研究，在2000年就通過表面改性，把鈷酸鋰材料穩(wěn)定循環(huán)的充電電壓由4.2V推到4.5V，容量提升30%以上，隨之發(fā)表了4.5V高電壓鈷酸鋰的首篇論文?！耙?yàn)榭蒲腥藛T就是會去做自己有興趣的事情，去做引路人?！?/p>

在黃學(xué)杰研發(fā)4.5V高電壓鈷酸鋰的時(shí)候，也有人認(rèn)為是胡思亂想，說鈷酸鋰從來就只能做到4.2V，脫嵌鋰量大于50%以后材料結(jié)構(gòu)將不穩(wěn)定。黃學(xué)杰偏要向“虎山行”，后面通過納米氧化鋁的界面層修飾解決了難題，證明4.5V以下體相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題不是主要矛盾。

接下來，他將同樣的原理應(yīng)用到錳酸鋰并解決了錳酸鋰的高溫循環(huán)穩(wěn)定性問題。錳酸鋰價(jià)格便宜，更貼近工業(yè)化要求。在成都地奧集團(tuán)等投資人的支持下，2000年黃學(xué)杰自任總經(jīng)理，在石景山區(qū)建設(shè)動力電池中試基地一北京星恒。

2001年，研究成果剛出來，汽車電池還沒有市場需求，但彼時(shí)國內(nèi)電動自行車數(shù)量龐大，有數(shù)據(jù)顯示，2001年產(chǎn)量達(dá)到近60萬輛，生產(chǎn)電動自行車整車企業(yè)已超過300家。

老科學(xué)家何祚庥先生建議道：“電動自行車仍在用鉛酸蓄電池，笨重而且污染大，為什么不設(shè)法換成鋰離子電池呢？”中科院領(lǐng)導(dǎo)同意了這個(gè)思路。但項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化需要的經(jīng)費(fèi)令人咂舌。黃學(xué)杰伸出了兩個(gè)手指頭，“兩億！”

院領(lǐng)導(dǎo)聽完直搖頭：“中科院重大項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)是2000萬，哪來的2個(gè)億？”說歸說，但項(xiàng)目還得做，于是院領(lǐng)導(dǎo)建議聯(lián)想集團(tuán)的柳傳志總裁考慮這個(gè)項(xiàng)目。

經(jīng)過大半年詳盡地市場調(diào)研分析，聯(lián)想投資入股，在蘇州高新區(qū)成立星恒電源啟動動力電池產(chǎn)業(yè)化。

盡管剛起步時(shí)較為坎坷，但現(xiàn)今的江蘇星恒已成為兩輪車電池的供應(yīng)巨頭。然而，正當(dāng)產(chǎn)業(yè)化步入正軌，黃學(xué)杰卻辭去企業(yè)管理職務(wù)，他要回到物理所做研究。

令黃學(xué)杰哭笑不得的是，為了這個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化，黃學(xué)杰挨了中科院兩位主要領(lǐng)導(dǎo)的批評。一位批評他不專心經(jīng)營企業(yè)，老惦記著回物理所搞科研;另一位則批評他不專心搞科研，去外面當(dāng)總經(jīng)理。

黃學(xué)杰則在《科學(xué)日報(bào)》的訪談里說：知識分子要敢于下海，舍得上岸。

“當(dāng)成果往應(yīng)用轉(zhuǎn)化的某些關(guān)鍵時(shí)段，科學(xué)家也必須全身心地投入?！惫Τ芍畷r(shí)，黃學(xué)杰選擇了身退。他感慨道，經(jīng)營企業(yè)不難找到更有職業(yè)經(jīng)驗(yàn)的經(jīng)理人，但各個(gè)領(lǐng)域更需要一批優(yōu)秀的科學(xué)家長期耕耘，才能在一代代技術(shù)迭代過程中立于不敗之地?！爱?dāng)今面臨復(fù)雜的國際形勢，我們感受尤深。”

他覺得科學(xué)家是有情懷的，有些東西是永存的，“行業(yè)不斷地往前走，我們更希望看到的是，產(chǎn)品技術(shù)迭代發(fā)展，我們做過的每一個(gè)產(chǎn)品都生氣蓬勃。”