郑州大学化学学院副院长付永柱:电池的发展空间还有无限可能

 文丨冯嘉(郑州大学科技园发展规划部助理研究员)

付永柱教授的童年在家乡黑龙江省友谊县兴隆镇度过,那时的他,已经明显表现出不循规蹈矩的一面,以及主动追求自我空间和独立认知的意识:在冻土荒野上看孢子、被妈妈带去菜市场卖菜、在游戏机厅被爸爸捉回家等。读书时候,他对于成绩好所能带来的价值的初步认知是,周末有了可以自己支配的时间,不用再在菜市场待一整天。“我不喜欢按部就班,而更喜欢去探索一些新奇的、别人没有探索过的东西,去发现一些别人没有发现的东西,这个过程会让我产生很大的乐趣和成就感。”付永柱说。

付永柱,本科毕业于清华大学,硕士毕业于大连化学物理研究所,2003年赴美并于2007年获得德克萨斯大学奥斯汀分校博士学位。先后在美国劳伦斯伯克利国家实验室、林泰克公司以及德克萨斯大学奥斯汀分校工作过,回国前在印第安纳大学-普渡大学联合分校任助理教授,主持了美国国家航空航天局、自然科学基金及普渡研究基金等科研项目。2017年,他以化学学院特聘教授的身份入职郑州大学,现任该院副院长。研究领域包括高能量电池电极材料、高离子选择性膜材料及高效催化材料,担任Wiley旗下的Energy & Environmental Materials杂志的副主编,已在Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater. Nat. Commun.等国际著名期刊上发表论文120余篇,申请美国专利4项。

1、大部分时间都在实验室度过  

付永柱并不经常待在他位于郑州大学化学学院行政楼的独立办公室里,我们来到该办公室的时候,甚至能感受到空气中浅淡的浮尘。他把大半的个人时间花费在化学实验中心的实验室,学生们对他随时随地出现在实验室已经司空见惯,看到他进来也不会停下手里的工作向他打招呼。谈话中,他坦诚地告诉我们,他目前处于一种非常忙碌的工作节奏中:开展实验、阅读文献、授课、指导学生和撰写论文等。但他非常享受这些工作。“我喜欢呆在实验室,那会让我能够做很多东西并感觉到充实。”付永柱告诉我们。

他的研究团队正在做的主要工作之一是“锂电池用有机硫正极材料”。锂离子电池是指以金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用有机电解质的一类二次电池(即可充放电池)。由于锂是已知的除氢、氦外最轻的化学元素,并拥有最低的电位,因此用它制成的电池的电压高、能量密度大,可实现长续航,被广泛应用于手机和电动车。

20世纪60年代——90年代,发生于中东地区的政治争端所引发的三次石油危机造成了世界多国对发展新能源、实现“能源独立”的重视,发展储能技术成为国际共识。2019年,美国约翰·古迪纳夫教授、英国斯坦利·威廷汉教授和日本吉野彰博士因上世纪70年代在锂离子电池方面所做的开发而获得诺贝尔化学奖。瑞典皇家科学院以“他们创造了一个可充电的世界”来评价锂离子电池面世的价值。可以说,这个行业是全球处于“石油世纪”末期所生成的一个热门赛道。

热门意味着机遇,充满机遇的土地上毫无疑问会长满竞争的花。2017年,付永柱回国的时候,这个行业正处于从“野蛮生长”到“有序发展”的过渡期,也是属于相关科研人员的机遇期。无数的科研工作者在为改良出更优异的电池性能奋勇争先,而在市场上,随着国家补贴的取消、动力锂离子电池领域外商投资条件的开放,也让研发领域的竞争进一步加剧。

据付永柱教授介绍,目前,锂离子电池的商业化应用主要受限于蓄能与安全两个方面。蓄能能力取决于电池的能量密度(单位体积内所包含的能量)。可作负极的材料相对有限(以石墨类材料为主),当前负极材料的比容量远大于正极材料,因此提高能量密度的关键点落在正极材料的研发上。

现有的商用锂离子电池的正极材料主要是“基于过渡金属的无机正极”,如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等。这一类材料回收成本较高、污染性强,“受制于理论比容量的限制和材料结构稳定性的制约,其能量密度无法获得突破性改变”,因此寻找更合适的正极材料仍然是电池领域的关键课题之一。

为了应对这个挑战,付永柱从他自身的经验出发,决定开拓与主流研发路径并不吻合的另一个方向:有机硫正极材料。这是他在国外工作时已经开始涉猎的领域之一,但在国内,还少有人关注。

有机分子种类丰富、分子结构灵活,硫比容量高,储量丰富,能够在蓄能和成本上实现双重突破。有机硫正极材料能让电池获取更高的能量密度,是可能达到理想状态的材料之一。

但在十年前,电池领域的研发以无机正极材料为主,有机硫正极材料是一个相对陌生的、新的方向。付永柱清楚,在基础研究领域去开拓科研新方向,意味着只能独立去寻找答案。每一步都是未知数,但也预示着一条可能的、储能系统的新道路。

“有机硫化物正极材料的研究最早起始于20世纪80年代,但是后来由于锂离子电池的成功商业化,人们对有机硫的研究很少。2014年我们课题组开始涉足这个方向,但是当时学界对这个课题的认可度不高”,付永柱说。

遇冷并没有打消付永柱的信心,他相信有机硫具有它独特的价值。“在国内,我们是较早地进入有机硫材料研究领域的团队,在现有的可查询的相关论文中,有大概三分之一是出自我们的实验室。有机硫正极材料可以有效提升电池的稳定性和续航能力,我认为在未来电池的商业版图里会有它的位置”,付永柱说。

付永柱和他的团队在实验室里一遍遍分析化学结构与数据,向着新型高容量电池电极材料的前沿方向挺进,并取得了一系列创新性成果。在他的领导下,其团队现已有导师5名、在读博士及硕士研究生40余名,并长期与海外教授保持合作,共同开拓有机正极材料及其功能性应用的新方向。

2、探索电池发展的无限可能 

人类社会目前正处于第三次能源转换期,这是锂离子电池得以快速发展的重要背景之一。美国华盛顿特区经济趋势基金会总裁杰里米·里夫金在《第三次工业社会》里表示“新型通信技术与新型能源系统的结合,预示着重大的经济转型时代的来临”。从碳石能源到清洁能源的转换是一场将波及整个人类社会经济体系的系统性变革,其进程难以预测,但动力电池的开发显然是众多相关技术解决方案中的一个。

2010——2014年,便携式电子系统如智能手机、平板电脑还有交通工具如电动汽车等市场的崛起,带动了正负极材料、隔离膜、电解液等上游行业需求情况的持续上涨。根据公开资料显示,2019年全球锂离子电池市场规模达到了2627亿元,预计2026年将达到6485亿元。

但对于付永柱的研发团队而言,即便已经站在电池领域研发的学术前沿,但想要真正进入这片“市场蓝海”还有不短的距离。这是一场全球性的产业转型和企业发展竞赛,而为参赛者提供更多的技术选择是科研的任务之一。

至今为止,在锂离子电池的发展过程中,仍存在许多的不确定性。

影响锂离子电池是否能够进入流通层面的主要问题之一是它们的过热趋势。上世纪,Moli的电池爆炸事件使得锂离子电池的发展曾经进入过一段至暗时期,近年来频频见诸报端的“热失控”事件也让它的安全性备受诟病。

锂离子电池的高电压是引发“热失控”的主要原因之一。高电压与高能量密度密切相关,但电势较高的特性使得该类电池只能使用有机电解液,从而具有较高的可燃性。另外,当使用金属锂负极,容易形成的锂枝晶(锂离子还原时形成的树枝状金属锂)长到一定程度会刺破隔膜,从而导致电池内部的短路并最终引发“热失控”。

“继续发展下去,电池安全可能会成为电池行业所面临的最重要的一个问题。目前提升安全性的主要方法之一是做固态电池,但是由于现有的电池电解液的生产线主要是以液态为主,需要巨额的投资才可能改变这一局面。因此,在没有完善的产品出现前,其推动能力较弱。”付永柱说。

相较于耗资巨大的生产线改造,他更倾向于通过改变正负极材料来遏制这种“失控”。相对锂电体系而言,有机硫材料的研发虽然主要侧重于蓄能,但电池的电压更低、也更为安全。同时,付永柱和团队也在对其他种类的电池进行研究。

“实验室中的研究成果常常无法在工业上顺利实现,因此从工业应用的角度来看,电池的发展空间还有着无限可能”。付永柱说。

他对这种无限的可能抱有相当大的兴趣,也对各类电池的优劣如数家珍。在中科院大连化学物理研究所的时候,他跟随导师衣宝廉院士从事燃料电池方面的研究,到郑州大学后,于2018年与宇通客车合作完成了“高可靠高环境适应性燃料电池客车”的开发。在有机硫正极材料之外,实验室里的团队也在进行着更为低成本的钠离子电池的研发。

燃料电池依靠“加氢”来减少污染,但是维护成本较为昂贵。金属原材料普遍涨价后,钠离子电池成为动力电池厂商的“新宠”,但截至目前,其能量密度和循环次数均不突出。在付永柱看来,没有哪一种电池是完美的。但更重要的是,从科研的角度出发,它们潜藏着通往人类社会更美好未来的通道。

“未来的电池格局应当是多元的,大多数电池都应当有它的角色”,他说。

3、在拒绝同质化研究中走向深远  

作为一个新的团队,付永柱与团队内的其他五位老师达成了很好的默契,他们在研发过程中互相帮助,以彼此的优势来填补资源的相对不足,他们的每一个学生都能从其他老师那里得到帮助。这也体现了郑大化学院长期坚持的“集中力量办大事”的传统。

在美国的时候,付永柱从事的研究是离应用更近的一端。但他很快发现,自己更喜欢在实验室里做研究、去探索科研的边界,这是他选择回国的原因之一。河南省郑州市是他回国后决定停留的第一站,四通八达的交通网络能让他与家人、父母、家乡的距离更近。得与尔同归,是属于游子的情怀。但更现实的是,回国后还需要完成与本土文化、科研圈层的融合。

对付永柱而言,在美国生活了14年后,无论是在科研环境还是生活环境方面,都存在着“适应期”。“科研需要与环境达成和解,适应所拥有的条件与不懈努力是取得成果所需要的一个部分。”付永柱说。

近年来,随着留学归国青年教师人数的增多,海归教师已然成为高校师资队伍里的一个重要组成部分。在一定程度上,这个群体在同龄人中有着更丰富的国际合作经验、更成熟的海外合作模式和合作对象,与之对应的是相对更高的科研压力、创新压力与跨文化交流的压力,其方向能否得到国际学术界的认可、其成果能否得到行业的认同以及能否在竞争更为激烈的科研环境中不断突破自己,都是需要应对的焦虑。

“与环境达成和解”来源于付永柱对内心需求的感知与把控。他需要审慎地去正视自己的所求与现实所可能出现的冲突,并尽可能的在学术上突破自己。他向我们强调,“科研不是计划出来的,我们不做同质化的研究。”

在很多领域,有经验的工作方式是安全的,但在科研领域,叩问人类知识边缘的旅程永远充满困难与挑战,“舒适区”反而是最不安全的区域。

进入新兴领域、站在时代风口的科研人员会遇到更多的暗礁险滩,同时也迎来更多的开拓新领域、引领行业变革的可能性。对创新力的无限追逐和敢于走出自我方向的勇气是支撑他们走向学术高峰的基底,也是科研领域得以不断突破的基底。

付永柱和他的团队正是如此,他们正勇敢的行走在自己所选择的科研道路和人生道路上,道阻且长,但也志在必得。

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