新型鉀型雙離子電池可大幅降低電池生產(chǎn)成本

　　“電量低于80%不敢出門?！彪S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。隨著鋰離子電池逐漸應(yīng)用于智能手機、電動汽車等領(lǐng)域，鋰的需求量逐年快速增長，而其全球儲量十分有限且分布不均，造成原材料價格上漲迅猛，嚴(yán)重制約了我國低成本、高性能儲能器件的快速發(fā)展。

　　鉀元素具有和鋰相似的物理化學(xué)性質(zhì)，且其儲量豐富，成本低廉。結(jié)合鉀離子電池與雙離子電池各自的優(yōu)點，唐永炳及其研究生季必發(fā)等研發(fā)出一種全新的基于鉀離子電解液的新型高效、低成本錫—石墨雙離子電池。

　　近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(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《先進材料》上。

　　據(jù)悉，該新型電池采用錫箔作為電池負(fù)極和集流體，膨脹石墨作為正極；電解液采用廉價易得的六氟磷酸鉀作為鉀鹽電解質(zhì)溶于有機溶劑中。電池具有較高的能量密度和較長的循環(huán)壽命，并且大幅降低了電池的生產(chǎn)成本。

　　研究表明，新型鉀基雙離子電池在50mAg-1的恒定電流下充放電循環(huán)300圈后，仍保持93%的容量；且能量密度可達到155Wh/kg，與現(xiàn)有傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度相當(dāng)。

　　唐永炳

　　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?！蓖獗砀删毜奶朴辣?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">科技日報記者娓娓道來。

　　就在一年前，團隊發(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(dāng)作兩年來用才有的突破。

　　“科學(xué)研究永無止境，不進則退。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?！碧朴辣@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院。

　　“我希望能在深圳做出對產(chǎn)業(yè)有價值的科研成果?！?/p>

　　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(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)團隊“合伙人”機制

　　唐永炳團隊有著一致的團隊價值觀：倡導(dǎo)集體奮斗、相互協(xié)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?！碧朴辣χf。

　　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(dǎo)集體奮斗、相互協(xié)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(jīng)過仔細(xì)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(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(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。

　　唐永炳說，團隊已開始中試產(chǎn)線研發(fā)，裝修工作在穩(wěn)步進行中。“現(xiàn)在已經(jīng)進行中試產(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)步推進中?！?/p>