唐永炳在中國科學(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分析團(tuán)隊的實驗數(shù)據(jù)。
“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“電池焦慮癥”。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(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)表多項突破性研究成果
這些碩果的背后，是唐永炳和團(tuán)隊成員一天工作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)隊首次發(fā)現(xiàn)雙離子電池技術(shù)后，圍繞該技術(shù)各項性能做出優(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)化奠定了非常堅實的基礎(chǔ)。
與此同時，團(tuán)隊還從產(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，機會可能會轉(zhuǎn)瞬即逝。”唐永炳這樣告訴記者。他們已將多項技術(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，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(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溶劑。
2014年底，他的學(xué)生拿著最新的實驗數(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驗結(jié)果的重復(fù)性如何？
經(jīng)過多次的重復(fù)性實驗以及反應(yīng)機理研究發(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，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(chǔ)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(chǎn)業(yè)化的方向快速發(fā)展。
桃李育人倡導(dǎo)團(tuán)隊“合伙人”機制
唐永炳團(tuán)隊有著一致的團(tuán)隊價值觀：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)隊合伙人機制的核心。
“新時代的科研精神，我們理解為團(tuán)隊合伙人機制。”唐永炳笑著說。
唐永炳團(tuán)隊30多人，其中一半是研究生。他們有著一致的團(tuán)隊價值觀：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)隊合伙人機制的核心。
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，提出后真正實施的可以做共同一作；第二，實驗主要數(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。而同樣的思路，也在產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊中體現(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，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。
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