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探寻锂离子电池研究密码-——记吉林省“双创”十大创新尖兵、澳门葡京谢海明教授

发布时间:2018-12-19   访问人数:

  

      《清明上河图》大概不会想到,自己会在九百余年后的上海世博会上“复活”。北宋的船只摇摇晃晃,穿越悠悠的汴河,跨过“百米长卷”,在中国馆内与现代动画、映像技术相遇,也与谢海明教授有了一场深刻的邂逅。就因着这惊鸿一瞥,谢海明再也没能忘掉那次中国文化的博大精深与现代科技的力量给他带来的震撼,以至于后来他自小研习刺绣的妹妹还投其所好,一针一线地为他打造了一幅《清明上河图》的刺绣工艺品,如今,这幅历时三年的刺绣就赫然挂在他工作室的墙上。
  说来也巧,谢海明教授的科研经历,似乎也与《清明上河图》有着某种遥远的相似性。这么多年,他在锂离子电池研究中展现出的坚韧、诚实、怀疑、开放、宽容、求真、合作……无不渗透着“清明上河图”式的科研密码,二者之间,贯彻着不谋而合的“Why”与“How”。而正如《清明上河图》是宋人张择端徐徐涂抹、细细描摹而成的杰作——谢海明的科研也是在这样一点一滴的坚持中进步的,这是他多年来勤勤恳恳、兢兢业业的科研觉悟。
  谢海明是2002年才决定考学东北师范大学的。彼时的他已成家,在内蒙古民族大学有着不错的任职。但自高中起便根生心中的对化学科学的兴趣与对学术科研的决心,使得谢海明毅然辞去内蒙古民族大学的稳定教职,且暂离开家中妻女,独身赴往师大追寻他的科学理想。
  来到师大进行了硕博连读,热衷实验的他加入了王荣顺教授在功能材料化学方向上的研究课题组从事锂离子电池研究。此前,课题组在电池负极、碳材料研究上已有所成果,而当时限制锂离子电池研究的最大瓶颈之一便是正极材料。谢海明由此跟从王荣顺教授开始进行正极材料方向上尤其是磷酸铁锂材料的改性与产业化研究。面对磷酸铁锂本身低导电性的瓶颈,如何大面积数量级突破?这是当时课题组首先需要攻克的难关。早年实验室的规模小、条件差,实验基础材料的制备都十分艰难。因材料的固相反应原理,要求材料必须均匀且细,否则容易接触不良而导致实验失败,但苦于没有球磨机,谢教授只能亲自用手磨,“要不停地磨好几个小时,经常磨到满手起泡。”他每天早晨六点便来到实验室,夜间十点才戴月归寝,明明进行的是“正”极材料研究,却仿若陷入了“负”极的旋涡——实验屡战屡败。“那几乎是一种无谓的、天天拼命的‘反复去做’。”回想当年,谢教授这样向我们描述道:日复一日的重复操作,一次又一次的实验失败,与日剧增的生活焦虑与学业竞争压力几乎要压得他喘不过气来。当时的他,甚至落魄到只能用三元人民币、采取各种艰苦的交通方式,辗转从长春回到内蒙古老家。
  所幸始终有王荣顺导师和实验室伙伴们的悉心鼓励与长久相伴,至谢教授读博第五年,实验终于成功了。利用导电高分子聚并苯对活性材料磷酸铁锂进行包裹,使其导电率提高了10个数量级。“十个数量级是不可想象的,一个数量级十倍,两个数量级一百倍,三个数量级一千倍,十个数量级,材料就由不导体变成了良导体,于是一下就突破了材料的弱导电性”,而此工艺在国际上尚属首创。很快,一篇以谢教授为第一作者身份的高水平研究论文在当时材料学领域国际最高期刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表,这是我校澳门葡京在该期刊成功刊载的第一篇材料领域的高水平SCI论文。为了庆祝,王荣顺导师还带着大家“奢侈”了一把:当时课题组20多个人聚到紫荆花饭店吃日本料理。
  此后实验室的发展逐步向好。而在已有专利技术的加持之下,实验室更是进一步地积极开展产学研合作,力图从实验室里的1%走到实用化的100%。“对科研人员来说,首先实验是突破,更重要的是产业化突破,为经济与社会带来真正的作用。实验是几克、几百克,产业化则是几吨、几百吨、几千吨……从实验到产业化的差距还很大,在这过程中,还得吃苦。”在谢海明的带领下,实验室团队从长春坐大巴颠簸着去到辽源,进到农村郊外里破烂不堪的工厂,每天亲手操作进行各种中试实验。“做了大概有半年多,中试基本上突破了,一次能够合成百公斤级的磷酸亚铁锂材料。百公斤级离吨级就很近了,这就只差设备的问题了。之后,凭借着技术的先进性,引来了众多投资公司投资兴业,整个研究项目逐步形成,以技术链带动产业链,形成了产业集群,有效推进了我国新能源汽车的产业发展。
  而墙上的那幅《清明上河图》始终是谢海明遥远的知音,倾吐着关乎家国与历史责任的科研密码。正如这幅“盛世危图”中藏着的画家深厚的国家忧患意识——自然科学在当今中国处境尴尬的同时也藏纳着巨大的潜力,好坏参半的科研环境令谢海明教授时刻保持着一种紧张度,胸中有沟壑,眼里存山河,这也正是他立志为祖国能源事业添砖加瓦的科研使命感。
  当然,除了科研使命感之外,或许也因为未知正是人类永恒的追求,科研本身即一场步履不停的旅程,“在世间自有山比此山更高”,需要不断发现,不断攀登。早期研究团队与一汽客车有限公司合作开发的纯电动客车成功产出之后,谢教授甚至都来不及感受成功的喜悦,便一股脑扎进了对产品性能的测试之中。他长时间地待在电动车上,“不停地坐在车上进行电池的测试,感受它的加速性能等等。”同时在现实生活中的灵感启发下,谢海明教授研究团队很快发现了电动车低温性能较差的问题,零下二十度只能放出65%的电量,即无法在寒冷地区使用,这也是国际上锂电池应用所遇到的重大缺陷。所以近五年研究团队针对低温电池开展了大量的应用研究,目前开发的超低温动力电池,具有高度安全性和长循环寿命,20AH单体电池,-40℃冷冻24小时,1C放电仍能保持常温容量的93%以上的比容量,完全满足了高寒地区新能源车对动力电池的需求。
  “人的满足心永远是无止境的,人的求知欲也是无止境的。”谢海明说。对真理的追求与对自然的好奇是他永远的初心与动力。就能量密度而言,金属锂排在元素周期表第3位的元素,其具有最高的放电容量,以锂金属为负极的全固态电池理论上可以达到700Wh/kg。全固态锂电池由于不使用液态电解液,采用高能量密度的金属锂为负极,因此具有绝对的安全性和超高比能量密度,属于下一代锂离子电池技术。但采用高能量正极材料做固态电解质,又出现了电压性高的难题。“现在我们的瓶颈点是,固态电解质的耐高压性怎么提高?这又是一个难点,已经头疼两年了。我在实验室里铺设这么多方向,就是要解决这个耐高压问题。就这一个问题,我们团队四十多个人要一同去努力、解决。我们要无数次地试错,从失败中找到失败的经验,在上千次上万次的科学实验中逐渐进步,直到有一天出来结果。”同时,谢海明教授团队还致力于加强国际合作,团队和加拿大魁北克水电研究院、法国巴黎第六大学合作多年。现今,第三代的耐高压三元全固态锂电池即将完成实验室研究,通过三元材料622体系可做到350 wh/kg。届时,中国新能源车在此高安全高能量密度的全固态锂电池芯的支持下,充一次电可行驶600公里以上。
  《清明上河图》在现代科技的支持下得到了“重生”,谢海明教授的锂离子电池研究及其中蕴含的科研密码同样在科学与时代的点滴进步中不断更新。他所懂得的并不只是那幅古画,更有《清明上河图》“重生”的意义。在上海世博会亲见的那一次现代科技与传统结合的磅礴动态演示,是无数科研人员颇具现代与国际视野的智慧结晶,更是那些团队协作与艰苦奋斗的劳动成果——这是他同为一名科研人员与实验室带头人的深切共鸣,以及所有先进科技成果都能为之带来的几无差别的科技振奋。“现在我在等待另一个激动的时刻——充电一小时续航600公里的纯电动车研发出来,这个目标是很重要的。”谢教授一个微微侧身,从抽屉里取出实验室自制的充电宝产品递给了我们,继续说道:“真正的科技成果是产业化成果,这才是最令人激动的。”他笑容张扬,既带着成年人经年累月的沉稳与成熟,同时又像每个眼神明亮的少年人大声描述着自己的梦想一般,他不无坚定地向我们说道:“我们未来的路还会很长,也许会走得很累,但我们很幸福,这可能就是痛并快乐着吧。”