作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/30 14:56:57
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情系清洁能源的“梦想之群”
记国家自然科学基金创新研究群体项目“能量转换材料界面结构与电荷输运性质研究”

 

“好文章不等于好技术,好技术不等于好产品,好产品不等于好市场。”长期致力于锂电池研究的中国工程院院士、中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员陈立泉对基础研究如何面向产业应用有着深切体会。在他看来,决定一件产品是否受到市场欢迎的因素很多,作为这条完整创新链上的最前端环节,科学家在基础研究中就应当充分考虑可能的市场因素,并从科学上提出解决方案。

多年来,在国家自然科学基金创新研究群体项目“能量转换材料界面结构与电荷输运性质研究”(以下简称创新群体项目)支持下,群体成员用实际工作践行并诠释了陈立泉这一理念。自2015年起,群体成员集结成“梦想之群”,坚持面向国家对清洁能源的迫切需求开展深入研究,从新材料和新表征技术破题,形成从基础研究到产业化的完整创新链。

2021年3月,全体群体成员与团队研究人员开展学术交流后合影,左一至左五为禹习谦、胡勇胜、李泓、孟庆波、白雪冬,右二为谷林。受访者供图

以实现国家需求为己任

创新群体项目负责人、物理所研究员孟庆波介绍,随着我国经济的快速增长,消耗的能源也越来越多。同时,与发达国家相比,我国在单位GDP能耗方面还有较大差距。如果不加改进,将严重制约国家的可持续发展。“大力发展清洁能源和提高能源的利用效率,既是国家的需求,更是科研人员的责任,也是我们‘梦想之群’的共同梦想。”他对《中国科学报》说。

事实上,群体成员所在的物理所开展能量转换材料方面的研究历史可追溯至20世纪80年代初。当时,陈立泉带领科研人员开创国内新型储能电池材料研究先河。2001年,在陈立泉支持下,物理所引进孟庆波回国工作,开展新型薄膜太阳能电池方向的研究。

随后,物理所先后成立清洁能源中心、清洁能源实验室,旨在研发具有自主知识产权的核心材料和高效的能量转换器件,支撑能量在不同形式之间高效转换,提高能源利用效率。多年来,整个团队不懈努力,围绕能量转换材料共性基础科学问题开展研究,从基础研究到产业化,形成完整创新链。

瞄准这一目标,2014年,在陈立泉大力支持下,孟庆波联合物理所白雪冬、李泓、胡勇胜、谷林等6位研究员共同申报“能量转换材料界面结构与电荷输运性质研究”项目,获得国家自然科学基金创新研究群体项目资助。

“我们把做出能够用得上的新材料作为科学研究的目标。”孟庆波告诉《中国科学报》。核心材料研发是占领科技竞争制高点的关键,因此,他们下定决心,抓住高性能能量转换材料这个“牛鼻子”,从基础科研的源头创新开始,为降低我国单位GDP能耗提供强有力的科技支撑。

创新群体项目获批后,群体成员们在手机上建立了工作群,群名称就叫“梦想之群”。

“我们计划,2015年开始研究材料的体相及界面结构演化规律,探索复杂体系中的离子电子混合输运;2017年建立材料多时空尺度结构与功能的表征平台,实现新材料设计、试制与评价;2020年实现中国品牌的高端能量转化核心材料开发、生产与应用,提高国家竞争力。”这是孟庆波在项目申报时给出的研发路线图和时间表。

“上述目标已经实现了!”经过6年共同努力,孟庆波在结题时充满信心地向评委专家汇报。

核心材料走向市场

多年来,群体成员逐步成长为电池材料领域的领军人才,成员中有5位获得国家杰出青年科学基金项目支持。他们都有着鲜明的科学家性格,既低调务实又敢为人先。在创新群体项目支持下,他们从实际技术需求中总结凝练基础科学问题,进行科学攻关,推动了核心能量转换材料的研发。

李泓团队在固态锂离子电池正负极材料的研发方面取得多项重要进展。包括通过多元素掺杂,多维度提高材料的结构稳定性;发展超薄固体电解质包覆技术,解决固态电解质与正极和负极颗粒在循环过程中的接触问题。他们研发的具有自主知识产权的纳米硅碳负极材料已从实验室走向了市场。

“在整个研发过程中,我们既要理解电池中的基础科学问题,又要了解实际技术问题并提出实用的解决方案。只有理论与实践并重、原始创新,才有可能推动电池材料学科和技术的发展。”接受《中国科学报》采访时,李泓总结道。

基于上述积累,他们创办天目先导电池材料科技有限公司。如今,具有自主知识产权的纳米硅碳负极材料已经量产,年产值达到一个亿以上。同时,高能量密度固态离子电池也实现量产,年产值超过一亿元。

经过多年基础研究,2020年,胡勇胜团队在国际上首次设计出一种低成本、高稳定、环境友好的铜基层状氧化物钠离子电池的正极材料。相关研究论文在《科学》上发表。

胡勇胜告诉《中国科学报》:“这一成果正是得益于先进的科学计算方法,不仅让我们比传统实验方法更加高效地获得了新型材料,还为预测一系列新材料提供了理论指导。”目前,他们与中科海钠公司联合推出首辆钠离子电池电动车和1兆瓦时钠离子电池储能电站。

为推动薄膜太阳能电池走向市场,孟庆波团队紧紧围绕高效率、高稳定、低成本三个指标开展工作。他们制备的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的效率达到24.5%;研制的全无机钙钛矿太阳能电池效率达到21%,是目前国际最高效率;开发了柔性的全碳电极材料和薄膜制备技术,实现了大面积低成本碳对电极的制备,让全碳对电极的钙钛矿薄膜太阳能电池的效率达到23.2%,处于世界领先水平。这些工作为高性价比的新型钙钛矿薄膜太阳能电池走向市场奠定坚实基础。

先进材料表征技术平台建设

材料科学发展到今天,早已过了凭借一个课题组单打独斗就能成功的阶段,集智攻关、团结协作必不可少。建立材料的结构与性能之间的关系是设计和制备新材料的前提,而表征材料在使役状态下的原子级分辨率结构与性能的关系是材料研究领域的前沿课题,也是该创新群体项目的重要攻关方向。

白雪冬向《中国科学报》介绍,他带领团队发展了可以看到单个原子运动轨迹的表征技术,并率先观察到了氧化铈材料中氧的单原子分辨动态成像。

谷林团队则发展了原位电场下原子尺度表征技术,并率先将原子尺度的原位电镜方法学扩展至三维原子尺度,从三维角度揭示了隐藏在二维结构观测背后的新现象,首次在原子尺度上观察到正极材料中锂氧协同迁移现象。“我们力争在电子显微学方向达到卓越。”谷林告诉《中国科学报》。

由群体中最年轻的成员、物理所研究员禹习谦领导的团队,利用原位同步辐射光谱技术首次从实验上直接证实了富锂锰基材料中的氧变价及其演化。“前辈们对事业的热爱和执着源于他们的使命感和责任感,激励着我在科研工作中坚持脚踏实地、求真务实、精益求精。”禹习谦对《中国科学报》说。

目前,李泓、禹习谦等负责建设与运行管理的中国科学院与北京市共建的“清洁能源材料测试诊断与研发平台”已经通过验收,并向全国开放。此外,孟庆波负责的国家自然科学基金重大科研仪器设备研制专项“可调控的瞬态光电测试系统”进展顺利,如今已经部分对外开放。

这些先进的表征方法与技术的研发,促进并支撑了该创新群体项目的能量转换材料研发工作。

总之,无论是新材料研发还是新表征技术,群体成员都在各自的学术领域争取做到极致。每个人都有自己的梦想——孟庆波希望“让阳光造福社会,让世界充满爱的阳光”;李泓希望“把电池做到极致”;白雪冬希望“与原子共舞”;胡勇胜希望“率先实现钠离子电池的产业化”;谷林想要“看见电子”;禹习谦立志“打造电池‘三甲医院’”。

“正是这些梦想,共同诠释并践行陈立泉先生当年创建这一方向的梦想——电动中国。”孟庆波表示。

面向未来,他们相信,“梦想之群”的梦想就近在眼前。

负责人专访:

《中国科学报》:电池材料从基础研究到产业化的过程中,还存在哪些问题需要解决?

孟庆波:材料从基础研究到产业化,要经历材料本身性能的评价、组装电池后的性质变化及其在组装过程的相互影响,以及电池服役状态下的性质变化等,还要经过小试、中试。每一个环节都面临各种技术问题,需要认真分析并凝练隐藏在这些复杂问题中的深层次科学问题并进行协同攻关。我们相信,只要用心去做,问题就能解决!

《中国科学报》:项目执行过程中有什么感悟、收获和对未来的展望?

孟庆波:感悟到了执着和坚持的价值,感悟到了团结协作的力量;最大的收获是把以陈立泉先生为代表的老一代科学家的情怀和理念传承下来,把年轻一代都培养成为科技领军人才。对未来,我们有信心为国家实现碳达峰、碳中和目标贡献我们的力量。

 
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