透過電池 探索能源轉換密碼
2022年06月02日 9:55 46263次瀏覽 來源： 中國有色金屬報 分類： 新材料前沿
中國科學院院士、廈門大學教授孫世剛心懷科技報國初心，在電化學基礎研究中作出突出貢獻。近年來，他帶領團隊立足學科基礎研究，持續(xù)在新能源領域斬獲面向產(chǎn)業(yè)的突破性成果，推動實驗室成果與生產(chǎn)轉化的連接。孫世剛和他的團隊一道，在服務區(qū)域發(fā)展和國家戰(zhàn)略中，踐行著高?？蒲腥说呢熑闻c使命。
“滋……”顯微鏡旋轉發(fā)出的響聲又在召喚。透過鏡片，孫世剛再一次來到微觀世界，探索能源轉換密碼。觀測鋰離子傳輸速度，記錄晶體結構演化，復雜多變的微觀世界，是孫世剛的“戰(zhàn)場”。
每一塊電池中，固體電極與液體電解質碰撞交界，產(chǎn)生出奇妙的能量變化，這被稱為“界面”。在“界面”不到20納米的厚度里，藏著有關電池效率和壽命的奧秘。
過去數(shù)十年，孫世剛及其團隊長期從事電化學、能源電化學的研究，在這一領域持續(xù)攻關，并將科學研究與企業(yè)需求相結合，為地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強勁的科研支撐，助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
源于初心
懷著科技報國的深厚情懷
孫世剛與化學結緣，要追溯到40多年前。
1977年，孫世剛考上廈門大學化學系；1982年，他作為公派留學生前往法國攻讀博士學位。1986年9月，孫世剛獲得巴黎居里大學授予的法國國家博士學位，并留在法國科研中心界面電化學研究所繼續(xù)博士后研究。
1987年，孫世剛決定回到廈門大學。“我心中有一種使命，就是推動國家的生產(chǎn)力發(fā)展，推動國家科技和產(chǎn)業(yè)崛起。”孫世剛說。
心有所指，行有所向。回國后，孫世剛專注電化學和表界面研究，取得了一系列突破性成果。他先后主持完成國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金重點項目、國家“973計劃”項目等重要科研項目，是國家自然科學基金委“界面電化學”創(chuàng)新研究群體學術帶頭人。
2015年，因其在電化學領域的杰出貢獻，孫世剛當選中國科學院院士。
“科研就是一種攻堅，它需要勇氣和堅韌。”面對當時國內(nèi)科研條件與國外的差距，孫世剛迎難而上。設備陳舊落后，他想辦法克服；科研經(jīng)費欠缺，他能省則省。
10多年前的一件往事，足以映射初心。2007年，孫世剛團隊在納米催化劑合成研究中取得重大突破，首次制備出高活性的二十四面體鉑納米晶催化劑。鉑催化劑被廣泛用于燃料電池、石油化工、汽車尾氣凈化等領域，但由于鉑資源有限、價格昂貴，提高鉑納米材料的催化活性、穩(wěn)定性，一直是企業(yè)亟須解決的難題。
基礎研究是科技創(chuàng)新的源頭。把基礎研究做扎實了，在國家快速發(fā)展中，研究成果必能對接到產(chǎn)業(yè)應用的方向。
近年來，隨著中國新能源產(chǎn)業(yè)崛起，中國企業(yè)迅速成長。寧德時代、廈門鎢業(yè)等越來越多的行業(yè)骨干企業(yè)尋求科研支持和合作。孫世剛主動肩負起責任，把自己的科學追求融入產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，帶領團隊與企業(yè)進行產(chǎn)學研合作。
始于2011年1月的“界面電化學”創(chuàng)新群體項目，歷時9年，在孫世剛的帶領下，項目連續(xù)3次獲得國家自然科學基金委員會的持續(xù)資助。從基礎研究到實際應用，這個項目，成為孫世剛探索成果轉化的舞臺。
“前兩期研究內(nèi)容主要是界面電化學的基礎科學問題，到了第三期以后，我們轉變重點，把目標放在解決產(chǎn)業(yè)界重要的應用問題，以及如何對國家戰(zhàn)略需求作出貢獻上。”孫世剛帶領團隊，將研究方向聚焦到新能源領域。
精于轉化
打造面向產(chǎn)業(yè)的科研力量
新能源產(chǎn)業(yè)，是福建重點布局的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
“十四五”時期，福建計劃打造兩個以上產(chǎn)值超千億元的新能源產(chǎn)業(yè)集群。廈門作為新崛起的電動之城，此前已將中航鋰電、海辰新能源、廈鎢新能源等新能源龍頭企業(yè)攬入懷中。2021年底，寧德時代投資70億元，廈門時代鋰離子電池生產(chǎn)基地項目（一期）開工建設。
這樣的土壤，讓孫世剛團隊的科學研究成果有了更廣闊的用武之地。
廈門廈鎢新能源材料股份有限公司，是廈門本土第一家新能源電池材料上市公司。其母公司廈門鎢業(yè)從2002年起，陸續(xù)建立能源新材料產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線，重金投入于先進電池材料的研發(fā)，并于2016年分拆出獨立的新能源子公司——廈鎢新能源。
“研發(fā)新產(chǎn)品，一旦我們在技術開發(fā)中遇到了難以解決的理論問題，就需要依托高校進行聯(lián)合攻關。”廈門鎢業(yè)股份有限公司技術中心硬質材料研究所所長劉超表示。
其實，早在2012年，孫世剛團隊就開始了與廈門鎢業(yè)的技術合作，簽訂“新能源材料合作研究計劃”，致力于提升鋰電池正極材料性能。
鋰電池正極材料，是直接影響鋰離子電池的性能、決定電池成本的關鍵因素。
為了讓手機待機時間更長，業(yè)內(nèi)普遍做法是提高充電電壓，以提高手機電池中鈷酸鋰材料的能量密度。但充電電壓過高，會導致材料和界面不穩(wěn)定，電池安全性能、循環(huán)性能下降。
孫世剛團隊成員李君濤教授介紹：“我們研究的技術，在鈷酸鋰材料表面形成包覆層，就相當于給它們穿了件‘防電衣’，使電池在高電壓下也能正常充放電。”
對此，廈鎢新能源首席工程師魏國禎深有體會地說：“孫老師團隊在這一領域的基礎研究前沿并且深入運用他們的方法，加深了我們對電池材料界面的認識和理解，大大縮短了我們解決技術難題的時間。”
2018年，廈門鎢業(yè)獲批國家發(fā)改委“高端儲能材料國家地方聯(lián)合工程研究中心”。孫世剛受聘擔任中心技術指導委員會主任。孫世剛認為：“我們的研發(fā)成果能夠幫助企業(yè)創(chuàng)新，企業(yè)能力提升后產(chǎn)生的需求，也在幫助我們調(diào)整科研方向。”
科研成果與產(chǎn)業(yè)需求有效結合，雙方的合作走向深入。如今，廈鎢將能源新材料發(fā)展為三大主營業(yè)務之一，成為鋰電正極材料領域的一流供應商。
寧德時代，則是孫世剛團隊進行成果轉化的另一個舞臺。
動力電池作為電動車的心臟，占據(jù)整車成本的近40%。曾經(jīng)，關鍵鋰電技術和材料都掌握在日韓企業(yè)手中，突破不了電池技術，就難以在新能源汽車領域開拓新局面。
2014年，寧德時代與孫世剛團隊相遇。孫世剛團隊自主研發(fā)的原位表征技術，助力寧德時代實現(xiàn)產(chǎn)品的變革性提升。
孫世剛團隊成員介紹：“這項技術可以讓研發(fā)人員‘在線’觀察鋰電池材料變化，充放電同時進行分析?？梢詫崟r檢測到哪種狀態(tài)產(chǎn)生了氣體，準確把握故障原因，并快速改進。”
自2014年起，孫世剛擔任寧德時代首屆專家技術委員會委員；2016年，寧德時代建立了院士專家工作站；2017年，寧德時代企業(yè)博士后流動站成立，黃令教授作為合作導師，共同培養(yǎng)企業(yè)博士后至今。
“寧德時代實現(xiàn)愿景離不開創(chuàng)新，高校是在創(chuàng)新路上最重要的合作伙伴，廈門大學更是新能源產(chǎn)業(yè)科研領域的佼佼者。”寧德時代董事長曾毓群表示，高校的教研優(yōu)勢、人才優(yōu)勢，將為新能源產(chǎn)業(yè)集群持續(xù)提供創(chuàng)新動能。
謀于未來
聚焦科技競爭和發(fā)展制高點
面對蓬勃發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)，電化學在燃料電池、電動汽車等領域正大有可為。而此時，孫世剛團隊已將研究方向投向了更遠的未來，以搶占科技競爭和發(fā)展制高點。
孫世剛說：“我們搞科學研究，就是要結合國家和社會需要解決的問題，用心做，不斷探索。”
氫能具有來源廣、燃燒值高、零碳排等優(yōu)勢，作為具有發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，全球已有多個國家和地區(qū)發(fā)布了氫能源發(fā)展規(guī)劃或路線圖。當前我國氫能產(chǎn)業(yè)也處在快速發(fā)展階段。
“氫的大規(guī)模運用是一個重要的發(fā)展方向。”孫世剛表示，“氫燃料電池商業(yè)化一直受阻于昂貴的鉑基催化劑。怎樣把催化劑效率提上去，同時把成本降下來，是我們未來研究重點。”
在廈門大學，以孫世剛團隊為代表，氫能已開始了技術攻關和產(chǎn)學研結合。在氫能與燃料電池技術方面，嘉庚創(chuàng)新實驗室已建立新型協(xié)同攻關機制，聯(lián)合廈門金龍、寧德時代、廈門鎢業(yè)等開展產(chǎn)業(yè)攻關。
參與嘉庚創(chuàng)新實驗室氫能產(chǎn)學研攻關的周志有教授，是孫世剛團隊成員。他介紹：“用鉑金屬做氫燃料電池催化劑材料，成本很高。現(xiàn)在，我們正以廈門鎢業(yè)的鎢、鉬材料為基體，研制氫燃料電池用催化劑材料。”
這些研究，為未來燃料電池新型催化劑的研制提供了新思路。
與廈鎢新能源的合作，同樣正邁向更廣泛的空間。鋰硫電池，比鈷酸鋰電池具有更高能量。為在激烈的電池材料競爭中保持先機，廈鎢新能源與孫世剛團隊，正共同開展鋰硫電池方面的研發(fā)。
如今，孫世剛團隊不斷突破研究邊界，正為搶占新能源科研制高點助力。團隊成員廖洪鋼教授毅然從國外歸來，加入孫世剛團隊。“這里不僅有我需要的實驗室設備，更有我向往的團隊科研氛圍。”廖洪鋼說。
經(jīng)過潛心攻關，廖洪鋼通過MEMS加工技術在電子顯微鏡中成功構筑了一個納米實驗室。“借助這一技術，我們可以動態(tài)實時觀察物質結構，全程高清拍攝每個原子的變化和運動軌跡。”廖洪鋼表示，這項技術，可廣泛應用于基礎研究及產(chǎn)業(yè)升級等領域。
2019年，廖洪鋼成立了廈門超新芯科技有限公司，獲評國家級高新技術企業(yè)，目前已完成千萬級天使輪融資，成為成功切入全球電鏡產(chǎn)業(yè)鏈的中國科技企業(yè)代表。
對未來的科學研究與成果轉化，孫世剛院士充滿信心：“按照現(xiàn)有的研究基礎，我們期望未來在基于非貴金屬催化劑的燃料電池、超高比能量密度和比功率密度儲能體系以及解決一些國家重大需求方面，取得新的突破。”
責任編輯：楊一鳴
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