锂离子电池材料研究里的中国原创

七月，骄阳似火，笔者在中国科学院物理所的一间办公室里如约见到了李泓研究员。

李泓研究员一直致力于锂电池材料及其相关的固体离子学的研究。采访中，他不断表示，非常庆幸能够跟随陈立泉、黄学杰两位老师领衔的物理所团队一起在这一基础与应用并重的领域长期工作，攻坚克难。

电池材料前景广阔

“电池的应用渗透于人类生活的方方面面，有广泛的用武之地。”李泓向记者这样介绍储能材料的应用前景。

清洁高效的电池技术一直是战略新兴产业的核心关键技术之一。特别是近年来，随着消费电子、电动交通工具、基于太阳能与风能的分步式能源系统、电网调峰、储备电源、绿色建筑、特种航天、机器人、国家安全等领域的飞速发展，迫切需要具有更高能量密度、更高功率密度、更长寿命的可充放储能器件。实际上，从铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池，到锂离子电池，化学电源技术在过去200年取得了长足发展，能量密度也不断提高。与其它蓄电池比较，锂离子电池具有能量密度高、能量效率高、循环寿命长、无记忆效应、快速放电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，成为世界各国科学家努力研究的重要方向。

“目前锂离子电池主要由日本、韩国、中国制造。韩国企业的锂电产量不断增长，并在2011年后已居于世界领先，中国的锂电产品占据20%的世界市场份额，近几年增幅缓慢。与日本、韩国、美国、欧洲等相比，在核心技术的创新研究方面还存在一定的差距。从基础研究做起，力图产生能够应用的原创研究成果，通过广泛的合作，解决技术放大过程中的瓶颈问题，从而提升我国企业的技术水平，是我们实验室的主要努力方向。”李泓研究员表示。

立足团队创新报国

自1982年陈立泉院士创建固态离子学研究组开始，中科院物理所在先进储能材料与器件的研发方面已经有30年的积累，从基础研究到产业化，形成了较为连贯的研究体系。

据李泓研究员介绍，早在1982年，陈立泉领导课题小组开始了锂离子导体的研究工作。在科技部、中科院、基金委、其他国家和企业项目支持下，长期以来开展锂二次电池及其关键材料研究。

“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，才有可能推动锂电池材料学科和技术的发展。”李泓告诉我们，这是物理所研究团队一直以来的重要发展理念。

锂离子电池根据应用的不同主要分为高能量密度、高功率密度、长寿命三类电池。提高能量密度一直是电池领域研究的主要目标，其关键是发展高容量的正极材料、负极材料以及与之匹配的电解质材料。提高电池能量密度的难点在于研究出能同时满足多达10项性能指标要求的材料。迄今为止，商业化锂离子电池的正极材料包括层状钴酸锂、尖晶石锰酸锂、橄榄石磷酸铁锂、三元层状正极材料，负极材料包括石墨和尖晶石钛酸锂。主要由美国的J.Goodenough、M.Thackeray、加拿大J.Dahn和日本的T.Ohzuku四位科学家发明，最晚发明的材料迄今已有14年。

和中国其他的研究团队一样，物理所团队一直希望通过持续的基础研究，能够在锂离子电池材料以及未来的电池体系开发中，做出属于中国的原创的贡献。

在磷酸铁锂正极材料基础研究方面，物理所拥有理论计算、先进表征、材料制备、电化学、锂离子电池等不同研究背景的人员，并进行了历时十年的合作研究。2001年，根据第一性原理计算，对材料的电子结构和离子通道首先获得了较为准确深入的理解。在发现该类材料具有一维离子导电特性后，物理所在国际上率先提出在铁位钠掺杂的设计思想，并申请系列专利，均获得授权。磷酸铁锂的原始专利由美国的著名科学家Goodenough等提出，物理所提出的铁位钠掺杂方案在最早的两个发明专利中并没有包括。通过穆斯鲍尔谱方法、中子衍射方法、电导测量、第一性原理计算等该方案获得理论与实验的证实。法国科学家Julien于2009年在ChemistryofMaterials的评述文章中指出铁位钠掺杂是唯一合理的磷酸铁锂掺杂方案。

物理所在国际上较早开展纳米氧化亚锡负极材料的研究。通过与物理所透射电镜团队的合作，在国际上最早发现，该类材料具有较好循环性的关键是纳米尺寸的晶粒分散在无定形介质中。基于这一发现，物理所在国际上率先提出采用纳米硅作为负极材料，并先后与金属所、北京大学合作研究证实了纳米硅比微米硅的循环性显著提高，并对其储锂机制进行了初步研究。之后的13年里，物理所一直对硅负极材料的体积变化、结构演化、表面副反应、尺寸效应、表面修饰、纳米结构、复合材料等方面持续研发，公开报导的研究结果获得了国际上的广泛关注。目前，在锂离子电池硅负极方面发表的学术论文已经超过1000篇，国际上公认纳米硅负极材料是最有希望应用于高能量密度锂离子电池的负极材料。物理所在该系列材料的材料体系、制备方法、应用方面均获得授权发明专利。

上述研究成果的获得离不开前期持续的基础科学研究。目前，改性锰酸锂正极材料、功能电解液已量产并应用在动力电池中，磷酸铁锂、硅负极、钛酸锂、层状氧化物正极材料均已进入中试研发阶段。

物理所研究团队除了专注于锂离子电池材料的基础科学问题的研究外，在动力锂离子电池技术研发及产业化方面亦取得了进展。1996年1月，由黄学杰研究员领导的物理所团队研制的A型锂离子电池通过中科院鉴定，1998年年产20万只电池中试线建成并通过验收，获中科院科技进步一等奖。1999年和成都地奥、北京创投等公司联合组建北京星恒电源有限公司，在八大处高科技园建成了生产基地，建成锂离子动力电池中式线，2003年在联想控股的支持下，设立苏州星恒电源有限公司，致力于锂离子动力电池专业生产。开发的动力型锂离子电池组和管理系统已经成功地运用在同济大学汽车学院负责的混合动力汽车整车项目中，并先后在“超越系列”、奥运会、世博会、法国Mia电动出租汽车项目、磁悬浮列车中获得应用，在欧洲电动自行车锂离子电池电芯的市场份额方面位居前三。

“虽然人人都使用锂离子电池，但事实上没有人对锂电池的性能满意，迫切渴望开发续航时间长、充电速率高的电池。电池是很多前沿技术的核心支撑技术，因此各国政府都制定国家发展战略并投入巨大的人力、物力、财力来支持研发。在激烈竞争下，当前我国锂电池无论是产业还是基础研究工作所面临的形势都十分严峻。在电池材料的基础研究，高品质材料的规模制备，先进研究手段和设备的开发，电池失效诊断分析，电池安全性，复杂电池系统的智能管理，自动化电池制造设备，高性能标准化电池检测仪器方面，我们与美国、日本、韩国、欧洲等国家的先进团队和制造企业相比，仍然还存在着显著的差距。”通过与国内外科研人员、政府机构、企业人员的交流，李泓研究员深深体会到“我们国家应该努力最大限度地发挥各个研究团队、生产企业、政府部门的作用和积极性，合理布局，密切协作，练好内功，取长补短，发挥各方面的优势，通过系统扎实的工作，奋起直追，才可能在较短的时间内居于领先地位。”

“略微遗憾的是目前我国学术界发表的学术论文还不能全面地针对电池应用和研发中出现的实际问题，企业的创新研究积累还不够，而学术界与制造企业的关联和合作还不是非常紧密。研究成果不能较快较好地转移到企业中，对于提升企业的核心竞争力帮助不大。在锂离子电池基础研究方面，我国发表的锂电池的学术论文的数量已经位于世界第一，但能够提出新材料体系或者能提出有效的材料改进方案、对电池中的基础科学问题给予令人信服的解释，设计出新电池体系的研究成果还为数较少。”

“中国的优势在于人才、原材料、制造成本、高效完整的产业链。产品达到世界领先水平，并非绝不可能。制造出高质量、高性能、高可靠、高安全的电池，这需要科技部、国家自然科学基金委、工信部、科学院、教育部等国家和地方政府部门联合起来，制定切实可行的长期的发展规划，整合优势资源，加强产学研合作，加强自动化制造装备与测试设备的研发，同时对产业链的各个薄弱环节进行集中攻关，产生集群优势。”

最近，通过自主研发以及与国内、国际上多个研发团队的合作，利用同步辐射光源技术、中子技术、球差校正电镜技术、扫描隧道显微镜技术、薄膜技术，结合第一性原理分子动力学计算方法，高通量材料计算方法等,物理所在锂电池材料的储锂机制，材料的表界面电子与晶体结构演化方面取得了更深入的认识。对此，李泓研究员表示，科学家的独创精神和个人兴趣在推动原创技术发展方面确实很重要。但面对复杂体系的研究，特别是需要将创新技术变为实用技术时，合作显然有助于更快、更深入、更全面获得研究成果。在针对复杂应用技术的锂电池研究领域，尤其如此。密切的合作需要合作方彼此谦让，利益共享，高度信任。

李泓研究员还特别提到，“在物理所研究团队的成长过程中，陈立泉老师和黄学杰老师一直身先士卒，不断给团队的年轻科研人员创造展示自己的机会，将个人的价值融入于集体的成功之中。”中科院物理所倡导“穷理、有容、惟才、同德”的学术理念，在这样的环境里从事研究工作，李泓研究员感到非常幸运，也非常珍惜。

他将和中科院物理所的老师和同学们一起攻坚克难，一起成长进步，一起推动我国储能材料与技术的新发展。