開啟綠色存儲轉化新時代
——記江蘇大學燃料電池研究所副所長徐謙教授及其團隊

范佳樂

徐謙在泰國清邁大學訪問

2019年10月9日，瑞典皇家科學院宣布將2019年諾貝爾化學獎授予97歲的“鋰電池之父”——美國科學家John B. Goodenough等3位科學家。這一場科學盛典，讓世人的目光再次聚焦電池領域。

電池有多重要？小到手機、遙控器等小型電子產品，大到電腦、電動汽車甚至無人機……它們的正常運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，電池技術已經(jīng)成為制約手機、筆記本電腦等電子設備甚至新能源汽車發(fā)展的主要因素。電池技術一旦得到突破，不亞于一次工業(yè)革命。

為突破電池技術的“天花板”，無數(shù)科學家奔赴在電池研究的各條戰(zhàn)線上，江蘇大學教授、博士生導師，燃料電池研究所副所長徐謙和他所在的團隊置身其中?！拔业墓ぷ髦饕侨剂?、流液電池電化學能量的存儲與轉換研究，通過設計、規(guī)范、優(yōu)化電池里各種解液的流動，以及質量、能量、熱量、電荷的傳輸，達到用經(jīng)濟、高效的方式來實現(xiàn)能量存儲與利用的目的?！薄熬G色”“經(jīng)濟”“高效”……徐謙及其團隊多年追索的目標，其實代表了新一代能源電池的發(fā)展方向。

機會留給有所準備的人

從數(shù)值模擬的角度提出一批新穎的流動形式；用實驗的方法，獲取一系列比理論推導更具準確性的基本參數(shù)；較早用一種非水系的綠色類離子液體代替水系電解液，不僅擴大了電池容量，提高了速度，還避免了沉淀……“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”近幾年，徐謙在數(shù)字模擬和實驗兩方面的創(chuàng)新探索，折射了他對科學的研究態(tài)度和興趣。殊不知，他與燃料、流液電池的“緣分”，并不是一早就開始，而是中途偶得。

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

在常人看來徐謙發(fā)展得順風順水應該順勢而行，他卻感覺有點偏離本心：“日常輔導工作繁忙但卻偏離科研，我還是希望能找到能給自己帶來成就感的目標和方向。”為此，他時常留心一些能源方面的學術會議并積極參加。很快，改變人生軌道的機會就來了：一次去南京參會，他結識了燃料電池研究領域的名家——香港科技大學趙天壽教授。“在與他交流討論時，他看我對能源領域很感興趣，提出如果我英語能力過關可以考慮到香港跟他讀博深造。幸運的是，此前工作之余我正好考過了雅思，從此轉向燃料電池研究。”寥寥數(shù)語看似“機緣巧合”，其實機會從來只會留給有準備的人，徐謙的“幸運”就是最佳例證。

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

博士畢業(yè)在同一課題組擔任博士后副研究員1年之后，接到江蘇大學邀請的徐謙毫不猶豫地重回母校懷抱并進入新成立的能源研究院，成為江蘇大學“青年骨干教師培養(yǎng)工程”青年學術帶頭人。對他而言，燃料電池發(fā)電很重要，但重要的還有儲能，這對于緩解全球能源日趨緊張的局勢至關重要，而母校恰好為他提供了合適的平臺，新的探索大門亟待他去開啟。2017年，徐謙又抓住“江蘇省青年骨干教師海外進修項目”的機會，赴加拿大滑鐵盧大學，在加拿大兩院院士Xianguo Li教授課題組深造，接觸到燃料電池領域的低催化劑載量應用、膜電極結構精確控制等先進技術，還結識了一批北美的研究人員。

站在液流電池研究前沿

當前，可再生能源的研究和應用推廣已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略高度。但目前大部分可使用的可再生能源（如風能、太陽能）在能源本質上仍然是間歇性的，只有發(fā)展出有效、安全、低價和可靠的儲能系統(tǒng)才能使可再生能源實用化。

常規(guī)電池一個主要的缺點是電極既是電池的組成結構又是活性物質貯存之處，所以電池的功率密度與存儲容量是矛盾的。液流電池很好地規(guī)避了這一矛盾，所以最適合于大規(guī)模的儲能應用。

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，通過主持國家自然科學青年基金等項目，徐謙帶領團隊完成了對液流電池關鍵傳輸參數(shù)的實驗測定及全電池數(shù)值模擬研究，通過設計并組裝一些獨特的實驗裝置和模型獲得了一系列準確可信的關鍵傳輸參數(shù)（如各價釩離子在多孔電極中包含彌散效應的有效擴散率、不同電場場強下電池的極限電流之間的差異等），相關研究為了解液流電池的傳輸機理提供了理論依據(jù)，為大規(guī)模的工業(yè)應用奠定了基礎等。成果共發(fā)表了9篇論文，獲得兩項發(fā)明專利和1項實用新型專利，并在國家自然基金項目評比中獲得了“優(yōu)”。

雖然水系液流電池取材廣泛、價格低廉，但也有先天的缺點：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），嚴重限制了液流電池的能量密度。當一種綠色的類離子液體——低共熔溶劑（DES）被提出后，徐謙就在國際上較早地把它應用于液流電池。他先后通過主持江蘇省人力資源和社會保障廳“六大人才高峰”項目“液流電池低共熔溶劑電解液中的傳輸特性分析及傳質和電化學反應過程的協(xié)同強化研究”與國家自然科學基金面上項目“低共熔溶劑中的質量-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DES前沿項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與電化學過程機理上具有重要的學術意義，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項泰州新能源研究院產業(yè)化專項課題，旨在進行一種快速組裝可精確控溫控壓燃料電池測試裝置開發(fā)，其創(chuàng)新點在于將光電池與液流電池集成在一起形成一個緊湊的器件，可以直接用太陽光給器件充電并以液流電池的形式對外供電。還與蘇州一家企業(yè)合作，擬將AI技術引用于儲能裝置與系統(tǒng)。關鍵材料、核心部件研發(fā)及電池系統(tǒng)集成創(chuàng)新代表了一個未來新的發(fā)展趨勢，也是徐謙給自己設定的努力方向之一。從原先的一路跟跑到現(xiàn)在開始有一些原始創(chuàng)新，篤定未來發(fā)展方向，徐謙和他的團隊做好了砥礪前行的準備。

傳承底蘊致力創(chuàng)新

“葑溪之西，胥江之東……山寶海涵，春華秋實，聲教暨寰中……”作為一名土生土長的江南人，家鄉(xiāng)厚重的文化積蘊和對教化的重視可以說深入徐謙的骨子里。出身書香世家的他，祖父8位子女中有6位進入大學就讀，有5位從事過教師職業(yè)，其中有4位是大學老師，跟徐謙同輩的兄弟姐妹中也有很多都是教師。雖說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花著果的工作也頗有傳承底蘊、致力創(chuàng)新的韻味。

點亮燈塔，照亮前行。時至今日，徐謙還感念那些曾經(jīng)為他照亮前行的恩師：有思路開闊，經(jīng)常鼓勵他不要妄自菲薄的碩士導師——左然教授；有為人寬厚、為學嚴謹?shù)牟┦繉煛袊茖W院院士趙天壽教授……曾經(jīng)沐浴師恩茁壯成長的徐謙如今也想給學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)學生的過程中，徐謙總是親力親為，帶實驗、改論文，并結合自身經(jīng)歷，努力創(chuàng)造條件讓學生參會作報告，并創(chuàng)造機會送他們去海外深造。難忘燈下苦讀、通宵熬夜做實驗時的艱辛；難忘論文投稿獲得通過時的喜悅，這些科研過程的悲與樂他都會跟學生一一分享并帶去啟發(fā)。他所在的江蘇大學能源研究院燃料電池研究所現(xiàn)擁有20多人的團隊。作為研究所的副所長，徐謙承擔了重要的組織管理和教研工作。在徐謙的影響下，“朝氣蓬勃”“充滿國際范兒”已經(jīng)成為這支團隊的一大特色。所里的幾個博士后，分別來自英國、伊朗、印度、巴基斯坦等國家。每周，徐謙都會把大家聚集在一起，用自由討論、發(fā)言的形式進行溝通交流，讓大家在交流碰撞的過程中收獲快樂成長。桃李不言，下自成蹊。如今，徐謙團隊培養(yǎng)的不少學生已經(jīng)成為上海大眾電動汽車公司、寧德時代等大企業(yè)的骨干。

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