作者:孙亚慧 王 威 来源:人民日报 发布时间:2024/2/28 8:42:16
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青春“锂”想,从这里放飞

 

2023年11月,该年度《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”亚太区入选者名单正式发布,中国科学院物理研究所博士生导师、溧阳长三角物理研究中心特聘研究员、中科固能董事长吴凡入选。

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吴凡在工作中。受访者供图

《麻省理工科技评论》这样评价吴凡:“他致力于硫化物全固态电池和关键固态电解质材料的开发,改善了它的界面兼容性、电化学性能、安全性和能量密度等,促进了产业化应用。”

专注研究全固态电池技术

2011年,从浙江大学材料学本科毕业后,吴凡前往美国北卡罗莱纳州立大学继续攻读材料学硕士和博士学位。2014年,他得到了在普林斯顿大学开展博士后研究的机会,并于两年后前往哈佛大学担任研究员。

近年来,中国动力电池产业处于全球领先地位,在液态锂离子电池领域取得了显著进步。但是,随着新能源汽车行业发展,市场对动力电池提出了更高的要求,更可靠、更安全、能量密度更高的电池成为企业发力的主要方向,全固态电池正是路径之一。这也是吴凡回国的原因。

“日本、韩国等国家一直在推进硫化物的全固态电池产业化,从20多年前就已经开始布局,一直持续到今天。硫化物全固态电池或者说硫化物固态电解质,是最有希望实现全固态电池的材料体系,我们也一直坚持在做。”吴凡说。

2018年,吴凡收到了中国科学院物理所陈立泉院士团队的邀约,希望吴凡能回国承担全固态电池及关键固态电解质材料产业化的任务。吴凡没有犹豫,他知道,自己回国发挥所长的时机到了。

2019年1月,年轻的吴凡作为中国科学院物理研究所的博士生导师,来到江苏溧阳担任长三角物理研究中心科学家工作室主任、天目湖先进储能技术研究院首席科学家。为了尽快开展研发工作,吴凡在入职物理所后的第10天就孤身一人从北京来到了溧阳。一切从零起步,这是挑战,更是动力。

“虽然配套的中试条件、测试分析、失效分析等硬件条件一流,但实验室和团队建设需要从头开始。”从规划实验室、采购设备,到逐步创建硫化物全固态电池实验室,上到国家、省、市科研项目的申请,下到实验室每一条规章制度的建立,团队人员与博士生的安置等,事无巨细,吴凡都希望能做得周全。

“我们在溧阳建立实验室,得到了溧阳市委、市政府在硬件及团队成员生活配套等方面很大的支持,这使团队能够专注于科研及产业化工作。”吴凡说,当地政府还积极推动团队的科研成果产业化,依托溧阳布局较为完善的动力电池产业链,让产业孵化有了适宜土壤。

推进动力电池产业发展

近年来,中国多次通过政策鼓励发展固态锂电池。2020年11月,国务院下发《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》,其中指出,“加快固态动力电池技术研发及产业化”。中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中也曾提到,“固态电池研发力度加大,并布局全固态锂离子和锂硫电池等新体系电池研发。”

从行业角度来看,当前电动汽车、航空航天、大规模储能等领域的高速发展,对电池的安全性、能量密度、使用寿命和温度范围都提出了更高的要求,全固态电池由于自身的高能量密度和安全性,被广泛认为是最有可能解决上述问题的下一代核心储能技术。但是,锂枝晶等问题尚待解决,成为制约全固态电池性能的难点。

为此,吴凡带领团队开发了一种硬碳稳定化的锂硅合金负极,扩大了活性区域并减轻了应力集中,从而改善了电极动力学和机械稳定性,一定程度上实现了硫化物全固态电池的长循环寿命、高电流密度、大放电倍率以及高面容量。

吴凡团队还开发出气相合成硫化物电解质方法,该方法的优势在于具备较高的水稳定性和离子导电性。引入气相合成方法,可以实现在空气中进一步制备空气稳定的硫化物固态电解质,从而大幅简化了制备过程,解决了硫化物固态电解质材料在生产制备、运输、储存及使用等环节中,对环境要求严苛的难题,使其量产及应用成为可能。

如今,吴凡团队已在溧阳建立起了500平方米的专业硫化物固态电池实验室,培养了博士后、硕博研究生、工程师等40余位研发人才,搭建起1.5万平方米的研究基地。

在溧阳工作的4年间,吴凡领导的科学家工作室申请了60余项国内、国际发明专利,发表了92篇SCI论文,承担了15项国家级、省部级重点项目。随着专业的硫化物固态电池实验室建成,团队在硫化物固态电解质材料的成本、空气稳定性、电化学稳定性、成膜工艺等方面取得进展。

探索千亿规模市场

去年9月,中科固能硫化物全固态电解质生产基地项目签约仪式在江苏省常州市举行。中国工程院院士陈立泉通过视频参加仪式并致辞。

据吴凡介绍,该项目将分两期进行。其中,一期总投资为10亿元,将进行全固态硫化物电解质材料的大批量生产,预计2025—2026年具备满产能力,同年将开启硫化物固态电解质膜、原材料、全固态电芯小试。二期总投资为50亿元,规划于2030年之前建成全固态电池产业园,配套的上下游产业链将形成千亿规模市场。

按照计划,中科固能硫化物全固态电解质生产基地项目,将建成世界范围内具有代表性的百吨级规模化制备硫化物固态电解质生产线,为未来万吨级别硫化物固态电解质的制备提供充分的实践经验和基础数据。同时,在设备设计、工艺路线等方面将拥有关键知识产权。

“我们将依托中国科学院物理所、长三角物理研究中心和天目湖先进储能技术研究院,持续深耕硫化物固态电解质及全固态电池领域研发,并开展大量基础科学实验和小中试试验,在现阶段开展中大型规模生产线的建设基础上,围绕硫化物固体电解质关键材料、固态电解质膜和全固态电芯的工程化放大依次布局,开发相关定制化设备,努力形成产业链闭环,为中国抢占下一代高能量密度高安全长寿命全固态电池技术主导权做出自己的贡献。”吴凡说。

从出国深造到回国创业,吴凡很有感触。他说,留学归国人员可以利用在海外学习、工作积累的经验,将海外资源与国内实际相结合,为科技创新、经济发展和社会进步做出贡献。同时,可以通过提供海外视角和建议,推动行业政策制定与国际接轨。“我们还可以利用自身语言和跨文化交流的优势,积极开展中外交流活动,增进不同国家民众之间的相互理解和信任,促进国际友好合作;发挥‘传帮带’的作用,为国内年轻人提供职业发展指导和帮助,培养更多具有国际视野和竞争力的优秀人才。”吴凡说。

 
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