“碳”非凡人生 尋無(wú)限可能

祝傳海 申娜

2021年7月，一位年輕人離開(kāi)了自己工作4年的地方，踏上了新的征程。從國(guó)家納米科學(xué)中心來(lái)到中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，這個(gè)年輕人不只是回到了家鄉(xiāng)，也回到了科研夢(mèng)開(kāi)始的地方。

和中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院孔德斌教授對(duì)話，時(shí)常會(huì)被他謙遜溫和的態(tài)度和誠(chéng)懇踏實(shí)的話語(yǔ)所吸引，在他身上，不難看出一位年輕科研工作者的風(fēng)采和追求。

說(shuō)到孔德斌的追求，他對(duì)碳功能材料的態(tài)度就是一個(gè)很好的縮影。他常常提醒自己，不僅要保持對(duì)科學(xué)研究的熱愛(ài)，還要對(duì)取得的研究結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C，更要學(xué)會(huì)創(chuàng)新，敢于去探索不一樣的領(lǐng)域。

近年來(lái)，孔德斌一直圍繞電化學(xué)儲(chǔ)能中碳功能材料的科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究，尤其針對(duì)硅等高容量非碳負(fù)極及其致密儲(chǔ)能應(yīng)用深入探索，取得了一系列創(chuàng)新性成果，包括利用碳材料構(gòu)建“強(qiáng)且韌”的骨架提升微米硅材料的性能，從多角度去研究其在鋰離子電池中的應(yīng)用等。不斷開(kāi)展的創(chuàng)新探索，打開(kāi)了孔德斌卓爾不群的探索人生。

欣然“牽手”碳材料

“碳材料一直是儲(chǔ)能領(lǐng)域中極為重要的材料，運(yùn)用好碳材料將會(huì)對(duì)動(dòng)力電池的發(fā)展有至關(guān)重要的作用?！笨椎卤髮?duì)碳材料有很高的評(píng)價(jià)，他認(rèn)為通過(guò)碳材料可以延伸到其他領(lǐng)域，探索更多的可能性。于是，與碳材料欣然“牽手”后，他圍繞其在動(dòng)力電池、電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用研究開(kāi)啟了一段雖艱辛卻也快樂(lè)的旅程。

在孔德斌看來(lái)，天津大學(xué)是他的科研啟蒙殿堂。2007—2016年，他相繼在天津大學(xué)完成了化學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科、碩士及博士的學(xué)習(xí)，其間，國(guó)家納米科學(xué)中心智林杰研究員和碳材料著名學(xué)者、天津大學(xué)楊全紅教授對(duì)他影響深遠(yuǎn)?！皟晌粚?dǎo)師講課清晰生動(dòng)，經(jīng)常會(huì)先引起我們的興趣后再深入去講解專(zhuān)業(yè)知識(shí)。”用孔德斌的話來(lái)說(shuō)，就是體會(huì)到了“學(xué)習(xí)和科研是件有趣的事”。這個(gè)階段，良好的教育培養(yǎng)了他的“科研嗅覺(jué)”和“科研味覺(jué)”，后來(lái)孔德斌在導(dǎo)師的引領(lǐng)與指導(dǎo)下，先后參與了多個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目研究。

2019年，在中國(guó)工程院院士陳立泉、導(dǎo)師楊全紅教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所李泓研究員的帶領(lǐng)下，孔德斌參與了中國(guó)工程院“工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大項(xiàng)目“動(dòng)力電池技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究”。陳立泉院士是我國(guó)首位鋰電池材料領(lǐng)域的院士，可以說(shuō)是中國(guó)鋰電領(lǐng)域第一個(gè)“吃螃蟹”的人，而楊全紅教授與李泓研究員又長(zhǎng)期從事碳功能納米材料和新型儲(chǔ)能器件的研究，已經(jīng)取得多項(xiàng)引領(lǐng)性的研究成果。都說(shuō)“不到長(zhǎng)城非好漢”，有了多位前輩的提攜，孔德斌離科研長(zhǎng)城的頂點(diǎn)越來(lái)越近，也越走越穩(wěn)。

科學(xué)是要用于服務(wù)的，孔德斌一直堅(jiān)持這一觀點(diǎn)。他目前正在進(jìn)行的硅碳材料開(kāi)發(fā)項(xiàng)目是在溧陽(yáng)天目先導(dǎo)電池材料科技有限公司的牽頭下，與天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院有限公司和天津大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，采用“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的聯(lián)合攻關(guān)模式。他們將研究重點(diǎn)放在了如何開(kāi)發(fā)用于高能量密度鋰離子電池中的高性能納米硅基負(fù)極材料這一關(guān)鍵問(wèn)題上，就此展開(kāi)了日復(fù)一日的刻苦鉆研。他們逐一攻關(guān)了單分散納米硅制備、硅碳復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氧化亞硅原子級(jí)摻雜、硅基材料表面納米級(jí)均勻包覆等技術(shù)難題，最終成功開(kāi)發(fā)出具有高容量、高首效、長(zhǎng)循環(huán)、低膨脹的商業(yè)化硅基負(fù)極材料，首次庫(kù)倫效率和循環(huán)保持率等性能均達(dá)到了國(guó)際一流水平。

“做科研是開(kāi)心、幸福的?！痹陧?xiàng)目研究過(guò)程中，孔德斌經(jīng)常會(huì)與導(dǎo)師討論，每次思維碰撞過(guò)后，導(dǎo)師的一些觀點(diǎn)總能啟發(fā)他產(chǎn)生新想法，這讓他感受到了科研的新鮮感和成就感。據(jù)孔德斌介紹，研究生期間，導(dǎo)師總會(huì)把學(xué)生“拉練”到科研一線，鼓勵(lì)他們?nèi)グl(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，不斷思考，大膽創(chuàng)新。在這樣的反復(fù)鍛煉中，孔德斌在博士期間獲得了2017年碳雜志獎(jiǎng)（CarbonJournal?Prize）杰出論文獎(jiǎng)，這一獎(jiǎng)項(xiàng)每年全球范圍內(nèi)只評(píng)選4人，這正是他多思多想多創(chuàng)新的結(jié)果。而這樣的習(xí)慣，孔德斌也一直保持到現(xiàn)在。

做既有趣又有用的研究

2016年博士畢業(yè)后，孔德斌來(lái)到國(guó)家納米科學(xué)中心中國(guó)科學(xué)院納米系統(tǒng)與多級(jí)次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作。他坦言，這一階段不僅是學(xué)術(shù)水平提升的重要過(guò)程，也是從學(xué)生到老師身份轉(zhuǎn)變的過(guò)程?！皝?lái)到國(guó)家納米科學(xué)中心，我不僅能在學(xué)術(shù)上獲得更好的資源幫助，還能在思想和研究方法上取得更多的感悟。”

孔德斌最大的感悟就是要做既有趣又有用的研究。在這一點(diǎn)上，早在研究生時(shí)期，他就深有體會(huì)?？椎卤蠼榻B，在傳統(tǒng)的石墨烯組裝過(guò)程中，通常都是對(duì)水凝膠進(jìn)行凍干處理保存原貌，但在一次做石墨烯組裝實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)時(shí)課題組的師姐陰差陽(yáng)錯(cuò)忘記這一步，而是將水凝膠自然晾干，等意識(shí)到這一點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)石墨烯已經(jīng)有明顯的縮小現(xiàn)象，形成了一個(gè)致密多孔的碳材料，也因此發(fā)明了毛細(xì)收縮的致密化策略。也正是這次意外收獲讓孔德斌意識(shí)到，做科研尤其要對(duì)以往不常見(jiàn)、與預(yù)期不相符的現(xiàn)象進(jìn)行重點(diǎn)觀察?！耙朴诎l(fā)現(xiàn)不同尋常的一面，有時(shí)就會(huì)得到意想不到的、有趣的結(jié)果?！?孔德斌笑談道。

就這樣，期待發(fā)現(xiàn)“不同”的孔德斌，研究課題并沒(méi)有選擇新能源領(lǐng)域里常用的納米硅材料，而是另辟蹊徑，致力于開(kāi)發(fā)與其具有同樣高質(zhì)量理論比容量，但卻比納米硅成本更低、振實(shí)密度更高的微米硅這一非碳負(fù)極材料。

同時(shí)為了響應(yīng)國(guó)家“加快能源技術(shù)創(chuàng)新，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系”這一重要發(fā)展戰(zhàn)略，孔德斌希望能將碳材料引入微米硅中，構(gòu)筑一種“既強(qiáng)且韌”的微米硅碳負(fù)極，提高其循環(huán)性能，并將這種改造升級(jí)后的微米硅材料引入新能源領(lǐng)域。“這也是契合‘2030實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一個(gè)重要發(fā)展方向。”提起這一設(shè)想，孔德斌興奮不已。

目前，基于這一想法，孔德斌正著手準(zhǔn)備開(kāi)展國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“面向致密儲(chǔ)能的快充微米硅碳負(fù)極構(gòu)建及其電荷傳輸行為研究”。他表示，當(dāng)前阻礙微米硅走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵之一，是如何在致密體系下針對(duì)更大尺寸的微米硅構(gòu)建電子、離子傳輸網(wǎng)絡(luò)。對(duì)此，孔德斌計(jì)劃要將重點(diǎn)放在實(shí)用層面，從基元結(jié)構(gòu)-復(fù)合界面-電極輸運(yùn)等多尺度出發(fā)，在精確設(shè)計(jì)碳緩沖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使致密材料和電極能在受限空間內(nèi)進(jìn)行電子與離子之間快速輸運(yùn)，從而制備出高倍率高致密的微米硅碳負(fù)極。

此前，在智林杰研究員和楊全紅教授的帶領(lǐng)下，孔德斌在“致密儲(chǔ)能”研究領(lǐng)域也有創(chuàng)新成果。他不僅對(duì)碳基納米電纜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行“翻新”，制備出長(zhǎng)壽命的微米硅/碳負(fù)極材料;還提出既可流動(dòng)又可變形的硫模板，對(duì)非碳活性顆粒（硅等）膨脹空間進(jìn)行了精準(zhǔn)預(yù)制，平衡了材料的密度和孔隙，從而實(shí)現(xiàn)了超高體積的比容量。此外，他還提出一種“邊”與“面”相接觸的新模式，大大提高了電荷在短程傳輸過(guò)程中的效率，倍率性能也得到大幅提升。

遇到一個(gè)好問(wèn)題很難，但要解決這個(gè)問(wèn)題更不容易。在之前學(xué)術(shù)成果的基礎(chǔ)上再次致力創(chuàng)新，為推動(dòng)微米硅走上實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)化不斷努力，孔德斌的學(xué)術(shù)研究也因此走上了“快車(chē)道”。

千難萬(wàn)險(xiǎn)只為破解硅之謎

想要構(gòu)建具備高體積能量密度的鋰離子電池負(fù)極，強(qiáng)韌微米硅/碳材料是不可多得的“寶貝”。圍繞這一材料，孔德斌啟動(dòng)了相關(guān)項(xiàng)目，并計(jì)劃開(kāi)展諸多創(chuàng)新探索。他有一個(gè)習(xí)慣，時(shí)常進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，不斷在腦海中進(jìn)行著有關(guān)微米硅負(fù)極的基礎(chǔ)性問(wèn)題與應(yīng)用之間的“遐想”，一旦迸出點(diǎn)想法，便迫不及待地與團(tuán)隊(duì)共同探討?！按蛟煳⒚坠璧膽?yīng)用化道路，破解其中的奧秘”成了他們新的科研目標(biāo)。

據(jù)孔德斌介紹，構(gòu)建強(qiáng)且韌的微米硅/碳負(fù)極是項(xiàng)目研究的終極目標(biāo)，但以當(dāng)前情況來(lái)看，在致密體系下，電解液有限浸潤(rùn)“液相”和大尺寸硅碳“固相”都會(huì)導(dǎo)致電子與離子在快速輸運(yùn)時(shí)嚴(yán)重受阻，同時(shí)這也正是阻礙微米硅踏上實(shí)用化道路的主要瓶頸。

針對(duì)這一難點(diǎn)，孔德斌已經(jīng)想好了對(duì)策，由于在充放電過(guò)程中，硅碳接觸界面之間是動(dòng)態(tài)的，因此孔德斌提出了構(gòu)建“納米彈簧”橋連的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)界面，可以實(shí)現(xiàn)在其接觸界面間構(gòu)建連續(xù)的導(dǎo)電通路;此外他還設(shè)想可以通過(guò)提前植入固相離子傳輸通道，實(shí)現(xiàn)電子和離子在致密材料和電極受限空間內(nèi)的快速輸運(yùn)，這樣一來(lái)就有望解決高致密電極中的離子輸運(yùn)難題;與此同時(shí)，孔德斌計(jì)劃將前幾項(xiàng)研究成果進(jìn)一步推向?qū)嵱没缆贰！巴ㄟ^(guò)項(xiàng)目，無(wú)論是理論還是技術(shù)方面，高容量微米硅負(fù)極的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都會(huì)有巨大的改變，而且在電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域里也會(huì)有巨大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。”孔德斌對(duì)此很是堅(jiān)定。

在孔德斌心中，研究微米硅材料，一定不能閉門(mén)造車(chē)，而是要注重多領(lǐng)域多學(xué)科之間的交叉合作，使其最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，他深知這需要科研人員投入更多的主動(dòng)性，還需要更多關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破。

也因此，孔德斌在培養(yǎng)學(xué)生時(shí)，都會(huì)讓他們多思考，形成自己的獨(dú)立思想后，再去做研究，而不是被其他人左右。在學(xué)習(xí)中研究、在研究中學(xué)習(xí)，孔德斌常常先引領(lǐng)學(xué)生入門(mén)，再培養(yǎng)他們的信心，腳踏實(shí)地地做好研究本身。他提到，做科研，踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、大膽求問(wèn)的精神、善于創(chuàng)新的思維缺一不可，這樣才能心無(wú)旁騖，做純粹的科研。

2021年7月，孔德斌離開(kāi)國(guó)家納米科學(xué)中心，到中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院任特任教授，并獲得中國(guó)石油大學(xué)（華東）“光華學(xué)者”的榮譽(yù)。在新征程的路上，孔德斌知道科研之路不乏困難，前方還有許多尚未解決的難題，但他不會(huì)放棄，哪怕花上數(shù)年、數(shù)十年，他都會(huì)為此努力，一往無(wú)前。

（責(zé)編：張聞）