拨开迷雾寻前路，探索电池新未来
——记香港城市大学教授刘奇
2023-03-13
回归祖国并扎根香港的这些年，刘奇的工作和生活总是多姿多彩。在课堂和实验室，他是眼光前瞻、大胆探索的随和导师，制备出更适合市场和实际应用的下一代电池是他的目标；在每周二、周四的休息时间里，他却是一个“假学生”，经常仗着自己面相年轻“混入”不同的学生队伍中，打上几场紧张刺激的篮球对战；周末，则是他约上三五好友享受网球运动的时刻。专注科研和教学、拥抱生活之外，刘奇最关注的就是青少年的成长和科普工作。只要附近的中小学向他发出邀请，就算是加班赶工、取消运动计划，他也要挤出时间前去进行科普讲座，和青少年交流互动。在他看来，科学的生命力在于不断更新迭代，未来中国科研的主力必将来自当下的青少年；讲好科学故事、弘扬科学精神，激发他们爱科学、讲科学、用科学的意识，是每一位科技工作者的分内之事。
青衿之志，履践致远
制备出一种兼顾高安全性、循环使用寿命长等特性且具有快速充放电能力的锂电池负极材料；通过界面工程方法抑制锰基材料的畸变，解决锰基材料不稳定导致的电池衰减严重问题；通过石墨中的卤素转化-插层化学实现水系锂离子电池……千百个日日夜夜的不懈拼搏，换得累累硕果，也构成了属于刘奇的标签——优秀的青年科研工作者。他长期致力于原位同步辐射技术和中子散射技术在电极材料的应用，具有丰富的原位电池组装、表征与测试经验，在物理、化学、材料和工程领域取得了众多原创性和突破性的工作。
如今回望其成长历程，刘奇坦言：“科研并非我最初的选择。”
2001年，刘奇考入湖南大学。彼时，科技创新之风尚未吹遍祖国大地，打工创业仍是全国热潮之一，实干报国的创业故事层出不穷。在这样的大环境影响下，刘奇也跃跃欲试。直到大四时期，他才在一位专业课老师的影响下有了在学术领域继续攀登的想法：“那时这位老师刚从美国回来，他的远见卓识十分令人佩服。在他的影响下，我认为还是应该不断提升自己，去看一看外面的世界。”
心有所信，方能行远。创业也好，科研也罢，无论选择哪条道路，实干始终是刘奇理想的核心。即便在后来的求学路途中，刘奇因个人兴趣变化数次进行专业跨越，也从未脱离“应用”与“工程”这两个关键词。硕士时期，刘奇打下了坚实的应用化学基础，并初步具备了一名科研人员应有的基本素养。毕业之际，他有感于自身“开眼看世界”的时机已经成熟，便前往美国普渡大学学习。
此时，刘奇再度跨越专业壁垒，进军机械工程领域，也第一次接触到原位同步辐射技术研究。同年，他进入美国阿贡国家实验室，一边跟随普渡大学的导师如饥似渴地学习，一边跟随实验室的导师孜孜不倦地探索。
忙碌，是刘奇这段海外求学生涯的底色。回忆往昔，曾经遇到的一些困难与挫折都已被他逐渐淡忘，每一次突破带来的喜悦还存留脑海，但印象最深的，还要数初入美国阿贡国家实验室去观摩同步辐射光源时的情景。“我当时真是惊呆了！整个仪器的直径很大，围绕它走一圈就要用上将近1小时。”
彼时，中国的同步辐射光源规模大多较小，大型同步辐射光源仅有上海光源一处，于2009年首批建成7条光束线站，整体尚未完工。也因此，这次“震撼经历”留给刘奇的不仅仅是“初见世面”的惊叹和艳羡，还有强烈的紧迫感和奋发图强的决心。
重任在肩，策马加鞭
同步辐射因强度高、覆盖的频谱范围广、可以任意选择所需要的波长、连续可调等特点成为科学研究的一种新光源。目前，它已经成为生命科学、材料科学、物理学、化学、地质学等众多学科领域的基础和应用研究的一种先进的、不可替代的工具。例如，在锂离子电池材料的结构及机理研究中，同步辐射技术可以获取电池电极材料结构物相、形成过程及电池充放电过程中电化学反应机理的详细信息。刘奇说：“如果把电池比作病人，同步辐射就相当于临床使用的X光、核磁共振成像技术，能够在不破坏电池本身的情况下‘看清’其内部各种物理、化学反应。这样一来，当我们采用一种新材料做研究时，就能够清楚地通过反应过程知道它到底是否适合用来制造电池。”
具有快速充放电能力的锂电池负极材料——新型钛铌氧材料，就是刘奇在香港开展材料工程研究的数年里，利用同步辐射技术开发出来的。这种材料有望将电动汽车数小时的充电时间大幅缩短到3～6分钟，在充放电能力大幅提升的同时，材料本身的稳定性并不会受到很大影响，充放电500次后依然能保持98.7%的高容量稳定性。
负极材料主要影响锂电池的容量、首次效率、循环性能等，正极材料则能够直接影响锂电池各项性能指标。目前，用以制造锂电池的正极材料主要有4种，分别是钴酸锂、镍钴锰酸锂（NCM三元材料）、磷酸铁锂、锰酸锂，其中钴酸锂为第一代正极材料且长期占据市场主导地位。
日常生活中，锂离子电池的续航问题向来为人所诟病，远远达不到理论容量274毫安时/克。这是因为在实际使用中，为了保持钴酸锂的结构稳定性和良好的循环性能，一般将充电电压限制在4.2伏左右，这就导致钴酸锂的可逆容量只有140毫安时/克左右。近年来，尽管科研人员通过表面包覆合、元素掺杂等手段提升了钴酸锂材料的结构稳定性，使锂离子电池充电电压得以增至4.35伏、实际使用容量达到165毫安时/克左右，但仍然无法满足高比能锂离子电池的需求。
这一短板直观地体现在了市场上的各类便携电子产品中。“以苹果手机为例，仅就电池性能而言，近3年来生产的新款手机与10年前生产的手机实际上并无太大差别。装配同等质量电池的手机续航时间之所以延长许多，大多要归功于软件的优化和显示屏等其他硬件的改进。”正是在这一背景下，华为中央研究院向美国阿贡国家实验室发起合作邀请，刘奇作为核心成员主持部分研发工作。2018年，这支联合团队经过数年探索，成功将锂离子电池充电电压增至4.5伏，可逆容量增至190毫安时/克。
从140毫安时/克到190毫安时/克，看似变化很小，却预示着锂电行业又一场盛会即将到来。然而作为技术的创新引领者，刘奇等人却对锂离子电池的未来深感忧虑：“一方面，我们越来越接近钴酸锂274毫安时/克的容量顶点，必须突破其他正极材料的技术瓶颈，让锂离子电池焕发新的活力；另一方面，当前受锂资源储量低和分布不均匀的限制，仅靠锂离子电池这一项技术远不足以支撑整个社会的消费和储能需求，发展锂离子电池的替代或备选储能技术也迫在眉睫。”
作为传统锂离子电池领域声名赫赫的团队，刘奇等人早在数年前便注意到了第四代正极材料锰酸锂的发展潜力。“与钴酸锂相比，锰酸锂价格低、电位高、环境友好、安全性能高，十多年前就已经被尝试用来制造电池。但它有一个致命的缺点——材料本身稳定性差，这导致充放电过程中电池衰减极其严重，循环使用寿命极短，并不具备大规模产业化的优势。”这项难题并不是那么好解决的，从决定开拓这一方向，到如今取得令人惊喜的突破，团队可谓历尽艰辛。尽管当前团队的这一成果距离应用仍有诸多难题需要克服，但他们仍然期待着，在不久的将来，人们能看到以锰酸锂作为正极材料的新型电池走进千家万户。
此外，钠电池、固态电池等位于科技前沿的研究重点，团队也多有涉及。但无论通向成功的路途中有多少迷雾与阻碍，刘奇探索电池未来发展道路的初心不会改变。与时代同行，不断通过学习认识新事物、发展新事物，就是他最大的乐趣。
来源：科学中国人 2023年1期 创新之路
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