唐永炳在中國(guó)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(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

“電量低于80%不敢出門?！彪S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(lái),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(guó)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(guó)際材料著名期刊《先進(jìn)材料》上。

一年時(shí)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(gè)小時(shí),把一年的時(shí)間當(dāng)作兩年來(lái)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?qǐng)?bào)記者娓娓道來(lái)。

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(píng)選為“2016年電池領(lǐng)域的十大黑科技”之一。

這一年來(lái),團(tuán)隊(duì)成果又有什么新突破?為什么引來(lái)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(shí)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(guò)程中的體積變化的問(wèn)題。近一年的時(shí)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(guò)對(duì)鋁箔負(fù)極進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面調(diào)控,有效解決了廉價(jià)金屬負(fù)極材料在充放電過(guò)程中的體積膨脹、循環(huán)性能差的問(wèn)題,為產(chǎn)業(yè)化奠定了非常堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

與此同時(shí),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(jì)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(shí)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(jì)的思路與雙離子電池的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,并將該設(shè)計(jì)思路引入其他堿金屬離子體系,分別研發(fā)出“基于廉價(jià)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(guó)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(gè)小時(shí),把一年的時(shí)間當(dāng)作兩年來(lái)用才有的突破。

“科學(xué)研究永無(wú)止境,不進(jìn)則退。我們有了前期基礎(chǔ),如果不著眼未來(lái),加快布局,機(jī)會(huì)可能會(huì)轉(zhuǎn)瞬即逝?！碧朴辣@樣告訴記者。他們已將多項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)發(fā)明專利和國(guó)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(gè)領(lǐng)域積累了近十年。

2007年,他在中科院沈陽(yáng)金屬所獲得博士學(xué)位,憑借優(yōu)異的學(xué)術(shù)成績(jī)被導(dǎo)師成會(huì)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(tīng)聞與香港一江之隔的深圳成立了一個(gè)國(guó)家級(jí)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(kāi)香港,來(lái)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(duì)產(chǎn)業(yè)有價(jià)值的科研成果?！?/p>

來(lái)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(chǔ)能材料及儲(chǔ)能器件。他放棄了原有鋰離子電池的設(shè)計(jì)思路,開(kāi)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(jià)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(shí)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(bào),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(guò)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(shí)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(wèn)世后,海內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界和資本紛紛向唐永炳拋來(lái)橄欖枝。唐永炳清楚這項(xiàng)成果潛在的應(yīng)用價(jià)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(chǔ)能電池項(xiàng)目的合資公司。

就這樣,這項(xiàng)成果在一年的時(shí)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(shí),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(jià)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(shí)代的科研精神,我們理解為團(tuán)隊(duì)合伙人機(jī)制?！碧朴辣χf(shuō)。

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(jià)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(huì)讓起主要貢獻(xiàn)的研究生成為共同第一作者。經(jīng)過(guò)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(shuí)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(lái)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(lái),團(tuán)隊(duì)學(xué)生畢業(yè)后無(wú)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(shí)代科研成果轉(zhuǎn)化邏輯的思路,激勵(lì)著團(tuán)隊(duì)在科研與產(chǎn)業(yè)化并軌前行、快速成長(zhǎng)。

讓電池更輕薄,續(xù)航能力更強(qiáng),充電時(shí)間以分秒計(jì)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(mèng)想。

唐永炳說(shuō),團(tuán)隊(duì)已開(kāi)始中試產(chǎn)線研發(fā),裝修工作在穩(wěn)步進(jìn)行中?！艾F(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?！?/p>