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中科院正研發新型鉀型雙離子電池:輕且持久

日期:2017/5/17 9:10:27
摘要:中科院正研發新型鉀型雙離子電池:輕且持久
關鍵詞:中科院、鉀型雙離子電池

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

近日,中國科學院深圳先進技朮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隊成功研發出一種新型高性能、低成本的鉀型雙離子電池技朮,該成果日前在線發表于國際材料著名期刊《先進材料》上。

一年時間發表多項突破性研究成果

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

“這一次我們發現鉀離子電池技朮,是2016年3月團隊首次發現雙離子電池技朮后,圍繞該技朮各項性能做出優化和繼續前瞻布局的結果。”外表干練的唐永炳向科技日報記者娓娓道來。

就在一年前,團隊發現的重要科研成果“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域著名期刊《先進能源材料》2016年度瀏覽量最多論文,并被新材料領域的專業媒體評選為“2016年電池領域的十大黑科技”之一。

這一年來,團隊成果又有什么新突破?為什么引來如此多的關注?自從發現了新型鋁—石墨雙離子電池技朮后,唐永炳指導團隊兵分三路與時間和自己賽跑。在新的雙離子電池技朮方面,他們攻堅克難改善鋁箔負極在充放電過程中的體積變化的問題。近一年的時間,研發出“碳包覆多孔鋁箔負極材料”和“高性能中空界面微結構新型鋁負極材料”。通過對鋁箔負極進行結構設計和界面調控,有效解決了廉價金屬負極材料在充放電過程中的體積膨脹、循環性能差的問題,為產業化奠定了非常堅實的基礎。

與此同時,團隊還從產業化應用的角度出發,在不改變現有鋰電池正極材料的情況下,研發出“具有普適性的鋁箔負極/集流體一體化設計的新型高效低成本鋰電技朮”,不僅可以有效降低電池自重和體積,顯著提高質量和體積能量密度,而且大大降低了生產制造成本,同時具有廣泛的普適性。

另一條路,則是繼續在可應用的基礎研究領域進行前瞻布局,他們將活性材料/集流體一體化設計的思路與雙離子電池的優點相結合,并將該設計思路引入其他鹼金屬離子體系,分別研發出“基于廉價鈉離子電解液的新型高效雙離子電池技朮”和“新型高效低成本鉀離子電池技朮”使得基于低成本鹼金屬離子的二次電池體系受到廣泛關注。這些研究成果已收錄在國際材料著名期刊《先進材料》和《先進能源材料》上。而這些碩果的背后,則是唐永炳和團隊成員一天工作14個小時,把一年的時間當作兩年來用才有的突破。

“科學研究永無止境,不進則退。我們有了前期基礎,如果不著眼未來,加快布局,機會可能會轉瞬即逝。”唐永炳這樣告訴記者。他們已將多項技朮申請發明專利和國際專利,以備產業化布局。

這一系列的新技朮是怎樣破土而出?是否有產業化應用前景呢?

新技朮讓人著迷,但也要兩條腿走路

當確認結果的重復性后,他馬上召集團隊,一邊在基礎研究做技朮突破,一邊著手產業化工作……

在發現電池新技朮之前,今年36歲的唐永炳已在這個領域積累了近十年。

2007年,他在中科院沈陽金屬所獲得博士學位,憑借優異的學朮成績被導師成會明院士推荐進入香港城市大學李述湯院士的實驗室,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構,在這里既可以從事科研,又極力推崇產業化應用,還可以指導研究生。他決定離開香港,來到基礎和產業化環境更好的中科院深圳先進院。

“我希望能在深圳做出對產業有價值的科研成果。”

來到深圳的唐永炳,深受先進院的重用,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計思路,開始嘗試改變電池結構以及反應機理,創造性地構建出了鋁—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極材料和負極集流體,省去常規涂覆在集流體上的負極材料;電解液采用常規鋰鹽和碳酸酯類有機溶劑。

2014年底,他的學生拿著最新的實驗數據向他匯報,發現這種新型鋁—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,几乎不敢相信。唐永炳首先想到的就是實驗結果的重復性如何?

經過多次的重復性實驗以及反應機理研究發現:這種新型電池結構具有全新的雙離子電池工作機理,不僅顯著提高了電池的工作電壓(可達4.6V),同時大幅降低電池的質量、體積、及制造成本,從而全面提升了全電池的能量密度。當確認結果的重復性后,他馬上召集團隊,一邊在基礎研究做技朮突破,一邊著手產業化工作。

雙離子電池技朮問世后,海內外產業界和資本紛紛向唐永炳拋來橄欖枝。唐永炳清楚這項成果潛在的應用價值,他決定與深圳先進院的產業化全資子公司以及有產業資源的投資公司共同設立基于鋁箔負極的新型高效低成本儲能電池項目的合資公司。

就這樣,這項成果在一年的時間中,不僅在基礎研究方面做出了多項突破和布局;同時,迅速走出實驗室,朝著產業化的方向快速發展。

桃李育人倡導團隊“合伙人”機制

唐永炳團隊有著一致的團隊價值觀:倡導集體奮斗、相互協作、按貢獻分配的理念,這正是他眼中團隊合伙人機制的核心。

“新時代的科研精神,我們理解為團隊合伙人機制。”唐永炳笑著說。

唐永炳團隊30多人,其中一半是研究生。他們有著一致的團隊價值觀:倡導集體奮斗、相互協作、按貢獻分配的理念,這正是他眼中團隊合伙人機制的核心。

他會讓起主要貢獻的研究生成為共同第一作者。經過仔細思考以及與中心其他同事的討論后,團隊確定了共同一作(共同第一作者)的三原則:第一,原創的思想是誰首先提出,提出后真正實施的可以做共同一作;第二,實驗主要數據和圖片的貢獻量達到三分之一以上的可以做共同一作;第三,論文實際撰寫人,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,團隊成員張小龍、張帆、仝雪峰、季必發、聖茂華、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生,有的是唐永炳的同事。

几年來,團隊學生畢業后無論是科研水平,還是就業情況都可圈可點。而同樣的思路,也在產業化團隊中體現。這種符合新時代科研成果轉化邏輯的思路,激勵著團隊在科研與產業化并軌前行、快速成長。

讓電池更輕薄,續航能力更強,充電時間以分秒計算,而且使用材料更環保,更重要的是要有產業化可行性——這些都是這位從事新能源材料及器件研發與應用的青年科研人員多年的夢想。

唐永炳說,團隊已開始中試產線研發,裝修工作在穩步進行中。“現在已經進行中試產線的前期准備工作,包括物料篩選和前期可行性論証都在穩步推進中。”