中科院正研發(fā)新型鉀型雙離子電池：輕且持久

　　“電量低于80%不敢出門。”隨著大屏智能手機(jī)普及，許多人患上了這種“電池焦慮癥”。于是，近年來，充電寶日漸成為手機(jī)的最佳拍檔。然而，有人卻力圖改變智能手機(jī)依賴充電寶的局面。

　　近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種新型高性能、低成本的鉀型雙離子電池技術(shù)，該成果日前在線發(fā)表于國際材料著名期刊《先進(jìn)材料》上。

　　一年時間發(fā)表多項(xiàng)突破性研究成果

　　這些碩果的背后，是唐永炳和團(tuán)隊(duì)成員一天工作14個小時，把一年的時間當(dāng)作兩年來用才有的突破……

　　“這一次我們發(fā)現(xiàn)鉀離子電池技術(shù)，是2016年3月團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)雙離子電池技術(shù)后，圍繞該技術(shù)各項(xiàng)性能做出優(yōu)化和繼續(xù)前瞻布局的結(jié)果。”外表干練的唐永炳向科技日報記者娓娓道來。

　　就在一年前，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的重要科研成果“一種新型高能量密度鋁—石墨雙離子電池”。該成果成為能源材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)能源材料》2016年度瀏覽量最多論文，并被新材料領(lǐng)域的專業(yè)媒體評選為“2016年電池領(lǐng)域的十大黑科技”之一。

　　這一年來，團(tuán)隊(duì)成果又有什么新突破?為什么引來如此多的關(guān)注?自從發(fā)現(xiàn)了新型鋁—石墨雙離子電池技術(shù)后，唐永炳指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)兵分三路與時間和自己賽跑。在新的雙離子電池技術(shù)方面，他們攻堅(jiān)克難改善鋁箔負(fù)極在充放電過程中的體積變化的問題。近一年的時間，研發(fā)出“碳包覆多孔鋁箔負(fù)極材料”和“高性能中空界面微結(jié)構(gòu)新型鋁負(fù)極材料”。通過對鋁箔負(fù)極進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和界面調(diào)控，有效解決了廉價金屬負(fù)極材料在充放電過程中的體積膨脹、循環(huán)性能差的問題，為產(chǎn)業(yè)化奠定了非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　與此同時，團(tuán)隊(duì)還從產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的角度出發(fā)，在不改變現(xiàn)有鋰電池正極材料的情況下，研發(fā)出“具有普適性的鋁箔負(fù)極/集流體一體化設(shè)計的新型高效低成本鋰電技術(shù)”，不僅可以有效降低電池自重和體積，顯著提高質(zhì)量和體積能量密度，而且大大降低了生產(chǎn)制造成本，同時具有廣泛的普適性。

　　另一條路，則是繼續(xù)在可應(yīng)用的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域進(jìn)行前瞻布局，他們將活性材料/集流體一體化設(shè)計的思路與雙離子電池的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，并將該設(shè)計思路引入其他堿金屬離子體系，分別研發(fā)出“基于廉價鈉離子電解液的新型高效雙離子電池技術(shù)”和“新型高效低成本鉀離子電池技術(shù)”使得基于低成本堿金屬離子的二次電池體系受到廣泛關(guān)注。這些研究成果已收錄在國際材料著名期刊《先進(jìn)材料》和《先進(jìn)能源材料》上。而這些碩果的背后，則是唐永炳和團(tuán)隊(duì)成員一天工作14個小時，把一年的時間當(dāng)作兩年來用才有的突破。

　　“科學(xué)研究永無止境，不進(jìn)則退。我們有了前期基礎(chǔ)，如果不著眼未來，加快布局，機(jī)會可能會轉(zhuǎn)瞬即逝。”唐永炳這樣告訴記者。他們已將多項(xiàng)技術(shù)申請發(fā)明專利和國際專利，以備產(chǎn)業(yè)化布局。

　　這一系列的新技術(shù)是怎樣破土而出?是否有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景呢?

　　新技術(shù)讓人著迷，但也要兩條腿走路

　　當(dāng)確認(rèn)結(jié)果的重復(fù)性后，他馬上召集團(tuán)隊(duì)，一邊在基礎(chǔ)研究做技術(shù)突破，一邊著手產(chǎn)業(yè)化工作……

　　在發(fā)現(xiàn)電池新技術(shù)之前，今年36歲的唐永炳已在這個領(lǐng)域積累了近十年。

　　2007年，他在中科院沈陽金屬所獲得博士學(xué)位，憑借優(yōu)異的學(xué)術(shù)成績被導(dǎo)師成會明院士推薦進(jìn)入香港城市大學(xué)李述湯院士的實(shí)驗(yàn)室，這一干就是六年。

　　2013年8月，在聽聞與香港一江之隔的深圳成立了一個國家級的科研機(jī)構(gòu)，在這里既可以從事科研，又極力推崇產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還可以指導(dǎo)研究生。他決定離開香港，來到基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化環(huán)境更好的中科院深圳先進(jìn)院。

　　“我希望能在深圳做出對產(chǎn)業(yè)有價值的科研成果。”

　　來到深圳的唐永炳，深受先進(jìn)院的重用，受聘為功能薄膜材料研究中心主任。

　　入職后，唐永炳把目標(biāo)瞄向新型儲能材料及儲能器件。他放棄了原有鋰離子電池的設(shè)計思路，開始嘗試改變電池結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)機(jī)理，創(chuàng)造性地構(gòu)建出了鋁—石墨雙離子電池，即采用廉價且易得的石墨替代目前已批量應(yīng)用于鋰離子電池的鈷酸鋰、錳酸鋰、三元或磷酸鐵鋰作為電池的正極材料;直接采用鋁箔同時作為電池負(fù)極材料和負(fù)極集流體，省去常規(guī)涂覆在集流體上的負(fù)極材料;電解液采用常規(guī)鋰鹽和碳酸酯類有機(jī)溶劑。

　　2014年底，他的學(xué)生拿著最新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)向他匯報，發(fā)現(xiàn)這種新型鋁—石墨電池不僅能可逆充放電，并且具有很高的工作電壓和較高的容量，表現(xiàn)出典型的二次電池的特征。這位平日喜歡奇思妙想的普通科研人員，幾乎不敢相信。唐永炳首先想到的就是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性如何?

　　經(jīng)過多次的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)以及反應(yīng)機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)：這種新型電池結(jié)構(gòu)具有全新的雙離子電池工作機(jī)理，不僅顯著提高了電池的工作電壓(可達(dá)4.6V)，同時大幅降低電池的質(zhì)量、體積、及制造成本，從而全面提升了全電池的能量密度。當(dāng)確認(rèn)結(jié)果的重復(fù)性后，他馬上召集團(tuán)隊(duì)，一邊在基礎(chǔ)研究做技術(shù)突破，一邊著手產(chǎn)業(yè)化工作。

　　雙離子電池技術(shù)問世后，海內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界和資本紛紛向唐永炳拋來橄欖枝。唐永炳清楚這項(xiàng)成果潛在的應(yīng)用價值，他決定與深圳先進(jìn)院的產(chǎn)業(yè)化全資子公司以及有產(chǎn)業(yè)資源的投資公司共同設(shè)立基于鋁箔負(fù)極的新型高效低成本儲能電池項(xiàng)目的合資公司。

　　就這樣，這項(xiàng)成果在一年的時間中，不僅在基礎(chǔ)研究方面做出了多項(xiàng)突破和布局;同時，迅速走出實(shí)驗(yàn)室，朝著產(chǎn)業(yè)化的方向快速發(fā)展。

　　桃李育人倡導(dǎo)團(tuán)隊(duì)“合伙人”機(jī)制

　　唐永炳團(tuán)隊(duì)有著一致的團(tuán)隊(duì)價值觀：倡導(dǎo)集體奮斗、相互協(xié)作、按貢獻(xiàn)分配的理念，這正是他眼中團(tuán)隊(duì)合伙人機(jī)制的核心。

　　“新時代的科研精神，我們理解為團(tuán)隊(duì)合伙人機(jī)制。”唐永炳笑著說。

　　唐永炳團(tuán)隊(duì)30多人，其中一半是研究生。他們有著一致的團(tuán)隊(duì)價值觀：倡導(dǎo)集體奮斗、相互協(xié)作、按貢獻(xiàn)分配的理念，這正是他眼中團(tuán)隊(duì)合伙人機(jī)制的核心。

　　他會讓起主要貢獻(xiàn)的研究生成為共同第一作者。經(jīng)過仔細(xì)思考以及與中心其他同事的討論后，團(tuán)隊(duì)確定了共同一作(共同第一作者)的三原則：第一，原創(chuàng)的思想是誰首先提出，提出后真正實(shí)施的可以做共同一作;第二，實(shí)驗(yàn)主要數(shù)據(jù)和圖片的貢獻(xiàn)量達(dá)到三分之一以上的可以做共同一作;第三，論文實(shí)際撰寫人，且論文修改后的保有量大于70%的可以做共同一作。

　　回看這一年來的科研成果，團(tuán)隊(duì)成員張小龍、張帆、仝雪峰、季必發(fā)、圣茂華、秦盼盼、王蒙、李娜都是成果的共享者，他們有的是唐永炳的學(xué)生，有的是唐永炳的同事。

　　幾年來，團(tuán)隊(duì)學(xué)生畢業(yè)后無論是科研水平，還是就業(yè)情況都可圈可點(diǎn)。而同樣的思路，也在產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)中體現(xiàn)。這種符合新時代科研成果轉(zhuǎn)化邏輯的思路，激勵著團(tuán)隊(duì)在科研與產(chǎn)業(yè)化并軌前行、快速成長。

　　讓電池更輕薄，續(xù)航能力更強(qiáng)，充電時間以分秒計算，而且使用材料更環(huán)保，更重要的是要有產(chǎn)業(yè)化可行性——這些都是這位從事新能源材料及器件研發(fā)與應(yīng)用的青年科研人員多年的夢想。

　　唐永炳說，團(tuán)隊(duì)已開始中試產(chǎn)線研發(fā)，裝修工作在穩(wěn)步進(jìn)行中。“現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行中試產(chǎn)線的前期準(zhǔn)備工作，包括物料篩選和前期可行性論證都在穩(wěn)步推進(jìn)中。”