回國這兩年 —— 我們的科研，我們的生活(二)
相聚、團結、進取、創(chuàng)新…
凝結成為今天的淡定、自信和執(zhí)著
我們擁有，屬于自己的追求
進取，超越，我們瘋狂而快樂地工作著
兩年的科研生活歷程，是一種工作態(tài)度，也是一種生活寫照
燦爛秋季，亮出我們與創(chuàng)新的故事
謹以此文獻給我的團隊成員們以及長期以來關心、支持我們團隊發(fā)展的領導、同事、家人和朋友們！
第三章 始于納米 聚焦鋰電
在《回國這一年》文中，我詳細描述了我回國之前的工作背景--納米材料研究，回國后的工作則定位于鋰離子電池。諸位也許會疑問一個從來沒有做過鋰離子電池和電化學研究的人，怎么能夠組織和帶領一支稚嫩的團隊去“攻打”動力鋰離子電池這個堡壘呢？是的，這樣的質疑和疑問，至今仍然是我和我們團隊面臨的尷尬。為了解答大家的疑問，回應各方質疑，化解我們的尷尬，下面將從納米材料與鋰離子電池的關系出發(fā)，詳細分析我們團隊開展動力鋰離子電池研究的動機和優(yōu)勢。
鋰離子電池的核心是尋找和選擇高能儲鋰電極材料。目前鋰電池中所用的傳統(tǒng)電極材料存在著利用率低、鋰離子擴散慢、極化大等問題，制約著鋰離子電池性能的提升。納米電極材料以其獨特的物理化學性能用于鋰離子電池，具有減小極化，增大充放電電流密度，提高放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)點，有利于高性能、高容量和高功率電池的發(fā)展，因此鋰離子電池電極材料納米化是鋰離子電池的一個重要發(fā)展方向。世界各國的電池材料研究人員在電極材料納米化方面已經(jīng)進行了大量的研究，取得了很大進展，有些科研成果已經(jīng)變成了產(chǎn)品。最典型的一個例子是動力鋰離子電池用的磷酸鐵鋰正極材料。磷酸鐵鋰由于電子導電率低及擴散系數(shù)小，因此限制了其在鋰離子電池領域的大規(guī)模應用。將磷酸鐵鋰材料納米化之后，則能顯著地提高電池的充放電性能。納米磷酸鐵鋰的粒徑小，減小了鋰離子脫嵌的深度和行程，提高了擴散率；大的比表面積，增大了反應界面，有更多的晶粒邊界提供快速的鋰離子擴散通道；顆粒越小，利用率就越高，不可逆容量就越?。桓嗟?、密集的納米級磷酸鐵鋰顆粒間的空隙，緩解了鋰離子在脫嵌時的應力。這些特征都有利于提高磷酸鐵鋰電池的高倍率充放電性能。2001年才成立的美國A123 Systems公司就是憑借其磷酸鐵鋰納米材料及其動力電池而迅速成為紅透半邊天的電池界新秀。A123的厲害之處是有辦法將磷酸鋰鐵正極材料制造成均勻的納米級超小顆粒（據(jù)稱粒徑小至100 nm），因顆粒和總表面積劇增而大幅提電池的高放電功率，而且整體穩(wěn)定度和循環(huán)壽命皆未受影響。
事實上，動力鋰離子電池最重要的研發(fā)目標除了高能量密度、高功率特性，還包括高安全性和低成本（或長壽命）。因此，一個無法生產(chǎn)加工高性能納米電極材料的團隊，對開發(fā)鋰離子電池而言是毫無意義的。A123的磷酸鐵鋰納米材料雖然性能表現(xiàn)優(yōu)越，但由于生產(chǎn)成本相對較高，其售價一度超過30萬元/噸，限制了它的大規(guī)模應用。國產(chǎn)磷酸鐵鋰材料的納米化技術還不成熟，盡管大多數(shù)廠商都宣稱擁有自主知識產(chǎn)權的納米磷酸鐵鋰生產(chǎn)技術，但事實上幾乎所有的產(chǎn)品都不是真正的納米材料，一次粒子粒徑通常為200-300nm（注：來自各企業(yè)的網(wǎng)頁和宣傳資料的數(shù)據(jù)），因而國產(chǎn)磷酸鐵鋰材料在電化學性能方面相對較差，制造出來的動力電池與電動汽車的要求還有相當距離。這種“準納米磷酸鐵鋰”的生產(chǎn)成本自然較低（一般7-8萬元/噸），為保證利潤，售價一般為12-15萬元/噸。實際上，即使是10元/噸的售價，對于汽車動力電池來說還是難于接受。許多專家和企業(yè)一致認為，當磷酸鐵鋰材料的價格降至7-8萬元/噸或甚至更低時，磷酸鐵鋰動力電池的才有可能被大規(guī)模應用。由此看來，磷酸鐵鋰材料的性能和價格之間依然存在著巨大的矛盾。此外，磷酸鐵鋰材料的批次一致性依然是一個難于解決的問題，這給電池設計帶來很大的麻煩，同時影響電池的配組和使用。
毋庸置疑，在電極材料納米化方面，所有材料都面臨著與磷酸鐵鋰相同的問題，那就是如何解決性能和成本之間的矛盾。面對這一矛盾，我們以往積累的納米材料的研究方法和經(jīng)驗使得我們在電極材料納米化方面具有相當?shù)膬?yōu)勢和特色，我們可以輕松地將以往納米材料設計理念和制備技術，推廣應用于納米電極材料的研究和開發(fā)，簡化合成工藝，開發(fā)能批量生產(chǎn)、低成本且產(chǎn)品質量穩(wěn)定的制備工藝。實際上，近幾年已有不少這種成功轉型的楷模。斯坦福大學的崔屹教授，早前就是做納米材料和納米技術研究的精英，現(xiàn)在已經(jīng)在鋰離子電池納米電極材料研究方面游刃有余了，時常在國際頂尖刊物發(fā)表他們小組的納米電極材料研究成果，例如他們成功地用硅納米線制成了容量為現(xiàn)有鋰離子電池10倍的新型電池。國內也不乏早前從事納米材料研究的好手變成了鋰電新星，比如中科院化學所的郭玉國兄，物理所的胡勇勝兄。也有把納米材料與鋰電材料結合得很成功的企業(yè)，如創(chuàng)建于2007年的深圳德方納米科技有限公司，是一家致力于納米粉體材料研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)，該企業(yè)把做納米材料的經(jīng)驗成功運用到納米磷酸鐵鋰上，發(fā)明和建立了一套全新的液相法合成磷酸鐵鋰納米材料（一次粒子粒徑100-150nm）的生產(chǎn)工藝路線。據(jù)悉，德方納米的磷酸鐵鋰納米材料市場反應不錯，但不知售價如何？如果其生產(chǎn)成本不高，將頗有市場競爭力。
在納米與鋰電的結合中,我們始終是充滿信心和激情的。我把自己在納米材料方面的經(jīng)驗與團隊成員在鋰電方面的經(jīng)驗盡情地碰撞與融合，最終使得我們在鋰電材料納米化方面取得了不俗的成績。最初，我們選定了磷酸鐵鋰和石墨烯兩個當今材料界的超級明星材料為研究對象。經(jīng)過兩年的持續(xù)努力，經(jīng)歷了從實驗室小試到目前的百公斤級中試，我們把磷酸鐵鋰材料做成了真正的納米材料，一次粒子粒徑控制在100 nm以下，而生產(chǎn)成本卻沒有增加。對于石墨烯材料，我們已經(jīng)摸索出一種可以實現(xiàn)規(guī)模化制備高導電性石墨烯的創(chuàng)新方法。采用我們發(fā)展的方法，石墨細烯的生產(chǎn)成本可能降至800元/千克（初步估算值），使石墨烯的大規(guī)模應用變成現(xiàn)實。目前，科學研究在磷酸鐵鋰和石墨烯兩種材料上可謂是熱鬧至極，高手如云，要想在其中占有一席之地，著實不易。比亞迪公司寫下了中國創(chuàng)新型企業(yè)的神話，比亞迪的一位副總裁是這樣解釋他們的成功哲學的，“我們從不對核心技術感到害怕。別人有，我敢做，別人沒有，我敢想。比亞迪每個單位遇到問題，我們都會說，你解決不了，不是因為沒有能力，而是因為你缺少勇氣?！蔽蚁?，我們團隊也是抱有這種哲學的。目前，我們團隊除了研究磷酸鐵鋰和石墨烯外，還相繼開展了高能能量密度動力電池正負極材料的研究，旨在為下一代車用動力電池提供核心技術?？傊覀儓F隊已經(jīng)將科研工作聚焦于動力鋰離子電池。
第四章 建設平臺 著手中試
即將回國之時，我就開始謀劃著如何搭建好鋰離子電池實驗室，因此不時向隔壁實驗室Whtingham教授（鋰電界著名學者之一）實驗室的學生們取經(jīng)，也留心觀察了實驗室的各種鋰電材料制備設備和電化學測試設備，這為我打造自己的鋰電實驗室打下了最初的基礎。于是，當實驗室有了燒杯、燒瓶等瓶瓶罐罐之后，我立即著手購買手套箱，因為手套箱是開展鋰離子電池材料研究的必備設備之一。然而，手套箱的采購流程很長，從調研、談價到安裝運行總共花了4個月時間，期間我們把材料制備設備（包括氣氛管式爐、球磨機、高壓釜、離心機等）、實驗電池制作設備（如涂布器、沖片器、扣式電池封口機等）和材料電化學性能測試設備（如電化學工作站、充放電測試儀等）也相繼買來了。2009年4月，當我們久違的手套箱到來的時候，我們宣告我們正式建成了鋰離子電池基礎研究平臺。
隨著科研工作的深入，我認識到，如果沒有全電池制作平臺和材料制備放大裝置，我們的科研工作將會永遠停留在做幾個實驗、測幾個數(shù)據(jù)、發(fā)幾篇論文的狹窄圈子里，也就談不上動力鋰離子電池的研究。此時，我的科研激情再次迸發(fā)，然而搭建這些平臺需要數(shù)百萬的經(jīng)費。經(jīng)費從何而來？錢投入了，能賺回來嗎？這兩個問題，極大地為難了我。經(jīng)過一段時間的思考和調研，我與建剛一起撰寫了《建設動力鋰離子電池實驗性》的白皮書，呈送給了所領導。所領導對此表示謹慎的歡迎，希望我們不要盲動。經(jīng)過幾個月的準備，在科技發(fā)展部的組織下，舉行了動力鋰離子電池實驗性論證會，邀請了國內幾位著名的學者以及電池企業(yè)的研發(fā)工程師，各位專家和領導對該實驗線的建設提出了很多建設性的意見，建議我們進一步調研，暫緩啟動，但基本上贊成在寧波材料所建成一個全電池制作平臺。盡管對實驗線暫緩啟動感到一些失望，然而我們團隊并沒有就此停住，依然在做最好的準備和努力。論證會之后不久，我們深入到維科電池公司進行了為期一周的實習活動，對全電池的生產(chǎn)工藝和設備有了更深入的認識，為實驗線的建設積累了大量的寶貴經(jīng)驗。
2010年過完年剛剛上班之時，崔所長嚴肅地“盤問”我在磷酸鐵鋰材料方面的工作進展，在聽取我的匯報之后，崔所長建議我建設磷酸鐵鋰材料中試線，按我們的工藝小規(guī)模生產(chǎn)，只有這樣才能真正攻克磷酸鐵鋰的技術壁壘。崔所長建議以所長基金的形式借款支持我們，敦促我們抓緊建成磷酸鐵鋰中試線和動力鋰離子電池實驗線，等項目經(jīng)費到位的時候返還給所里。這一動議令我們團隊激動異常，我們下定決心要做出一番成績，奉獻給寧波材料所，回報所領導的強有力的支持！
不久，我們啟動了動力鋰離子電池實驗線和磷酸鐵鋰材料中試線的建設，前者有來自深圳比克公司的陳向魁負責，后者由張建剛負責，在兩個月時間內，完成了主要設備的調研、招標、競價、場地規(guī)劃等各項事宜。接下來，為迎接各設備的到來，我們用了一個月時間又完成了實驗室改造和裝修。此時，夏天到了，綠樹成蔭，一切變得生機怏然，一陣微風吹過，總覺舒爽至極。設備也陸陸續(xù)續(xù)到了！然而，就要接近五一的時候，向魁卻提出了辭職，令我不知所措。恰似泛舟于激流之上，突然撤去了一只漿般的無奈與焦灼。情急之下，只好—調用楊石榴，此時的石榴正處于被我多次談話的境地，我希望他能跟著我們一起戰(zhàn)斗，打起精神，振作起來。于是，我打算讓石榴接手向魁的工作，也正好通過本項任務再一次檢驗他的工作能力和工作態(tài)度。盡管向魁做了非常認真細致的交接工作，然而石榴還是一時難于適應，不知如何進行這項臨危受命的任務，我不斷提醒他這次必須像一個英雄一樣去戰(zhàn)斗，無論多難，都必須給我把這個“碉堡”炸掉，為部隊前進掃清障礙。石榴硬著頭皮干下去了，但是卻總是形神不一，每次問起工作進展都是一問三不知，實在令我失望。六月的下旬，我終于鄭重地與他交底了，在兩年的合同結束后（2010年7月15日到期），我將不再與他續(xù)約，請他做好被解聘的準備，抓緊找工作或聯(lián)系讀博士去。這是何等的殘酷和無情？然而，我是強忍痛苦在斷臂求存，在這場保衛(wèi)戰(zhàn)中，我不想看到我的團隊的戰(zhàn)斗力被削弱。我知道，石榴離開我這里，到了新的地方，他的狀態(tài)和工作面貌也必然會發(fā)生改變的。在石榴離開之后，我又啟用了王旭陽。旭陽是一個在工作中一直中規(guī)中矩，盡管我對她做工作的進度和深度不甚滿意，但其良好的工作態(tài)度，我是充分肯定和認可的。在兩年的科研工作中，她在Carbon上發(fā)表了一篇論文。然而，我認為，做實驗、寫論文的科研道路并不適合旭陽。在目前的形勢下，如果她能夠接手并完成實驗線建設的后續(xù)任務，最終負責其運行，她就可以在這次鍛煉和機會中實現(xiàn)一次突破，從此進入工程技術領域。之前，旭陽是去過維科電池公司實習的，我想她應當是最適合的人選。事實證明，旭陽從一開始的消極、不適應，到現(xiàn)在的積極、如魚得水。在旭陽的努力以及團隊成員積極地配合下，12月底，我們在實驗室能夠獨立制作出18650型全電池了，旭陽果然“轉型”成功了。在此基礎上，我們將要添置若干軟包電池設備，就可實現(xiàn)各種型號電池的制作，為全面評估我們研發(fā)的電池材料掃清了障礙，也為我們開展動力電池研究鋪平了道路。
建剛負責建設磷酸鐵鋰中試線，則一帆風順，一切按照我們的計劃進行。大概在7月底，噴霧干燥塔、氣氛回轉爐以及其它各關鍵設備均已完成安裝和調試。噴霧干燥塔和氣氛回轉爐的安裝過程是最令我們激動和感動的。這兩個龐然大物，一個高達8米，一個長達6米，噴霧干燥塔超出了樓層高度，而回轉爐超出了樓道進門的轉彎能力，如何把它們按原來設想安放在預定的位置，這的確大大地難住了我們這群年輕人。然而，事在人為，我們相信沒有什么困難能難住我們。我們找來了大型吊車，可是由于吊車太大了，進了D1大廳都無法轉身，也無法舒暢地升臂，好在司機耍出了乾坤大挪移的之術，機器臂直指二層天花，幾乎接近完美！恰似大話西游中的一段經(jīng)典場景：當時那把劍離我的喉嚨只有0.01公分，但是四分之一炷香之后，那把劍的女主人將會…。我看見，當時那只巨臂離天花板只有0.01公分，但是四分之一炷香之后，那只巨臂將會徹底地把噴霧干燥塔吊到預定位置的上空…。當巨塔落地瞬間，大廳地響起了熱烈的掌聲和歡呼聲！回轉爐的安裝也費了我們無數(shù)心細。一開始，大家幻想從樓道扭身進入實驗室，然而扭了十余次也徒勞。它的身材實在是龐大了！知難而退，大伙又如螞蟻一般合心協(xié)力把這個大家伙推出去了。建剛當即開始聯(lián)系一臺叉車，同時聯(lián)系毛一鳴師傅，決定把窗戶拆了，從窗口爬進去。大伙開始七手八腳起來了：挪路燈，搬鋼板，卸玻璃，鋸窗戶（拆窗戶是毛一鳴師傅操刀，我們感謝他），墊礦木，上叉車，扎綁帶，起叉車?；剞D爐修長的身體在顫抖著，它疼嗎？同來的廠方安裝工程師已經(jīng)驚出冷汗，因為整體設計的鋼鐵爐膛萬一發(fā)生彎曲，整個設備可能要報廢。叉車緩慢逼近窗臺，室內手動叉車也慢慢逼近窗臺，慢慢的，慢慢的，終于在快要貼近窗臺的時候，室內叉車接住了爐子的另一端，接下來，整個爐子逐步被拽如室內。經(jīng)過3個小時的努力，這個巨型爐子就這樣被服帖地放入了狹小的實驗室，猶如一頭不聽話的大象被趕進了飼養(yǎng)室。
8月初的高溫假過完之后，建剛帶領其小組開始了磷酸鐵鋰材料的正式中試。中試工作沒有想象的簡單和容易，經(jīng)過約1個月的試驗，建剛等人才基本摸清每一臺設備的“性格”和“脾氣”，至9月底，終于“生產(chǎn)”出了第一批合格的磷酸鐵鋰材料。中試過程是辛苦的！在回轉爐運行過程中，每天晚上必須有一個人通宵值班。起初值晚班大家是很激情很興奮的，大家準備了方便面、火腿腸、榨菜，甚至還有啤酒，在小辦公室與燒結室之間來回穿梭。大家看到自己親手配成原料在回轉爐中進料、煅燒、出爐，猶如目睹自己孩子出生一般興奮莫名。至12月底，建剛他們已經(jīng)完成了15個批次的中試實驗，生產(chǎn)了多種類型磷酸鐵鋰產(chǎn)品，目前已送樣給多家電池企業(yè)，評測結果也將陸續(xù)得到反饋。
磷酸鐵鋰材料從97年問世到現(xiàn)在，吸引了無數(shù)人的目光，更使眾多科研工作者和技術人員對其折腰。至2010年，全世界有百余家企業(yè)從事或涉及磷酸鐵鋰的研發(fā)生產(chǎn)，國內就有近百家企業(yè)爭鳴，短短幾年之內就被做爛做俗了，各有技術路線，產(chǎn)品品質參差不齊，呈一派混亂局面。我們現(xiàn)在才開始中試，有何法寶能在這種亂象中脫穎而出呢？我們的法寶是：磷酸鐵鋰的納米化以及石墨烯改性。納米材料的制備技術及工藝是我們所擅長的，目前我們中試產(chǎn)品可以將磷酸鐵鋰一次粒子控制在100nm以下，且工藝成本得到很好的控制，使產(chǎn)品具有很高的性價比。石墨烯改性則是我們的另外一個法寶。石墨烯改性的磷酸鐵鋰材料具有非常優(yōu)異的電化學性能。國內外已有不少將石墨烯與磷酸鐵鋰復合的研究案例，然而多數(shù)停留于基礎研究階段，僅僅局限于發(fā)表幾篇論文，無法真正形成放大生產(chǎn)的工藝。原因在于石墨烯的規(guī)?；苽浼夹g還未突破，市場無批量石墨烯的供應。由于我們從一開始就開展了石墨烯的制備研究，至今已經(jīng)突破了石墨烯的規(guī)模化制備技術，實現(xiàn)了公斤級的制備，只要多給些時間和支持，我們很快可以實現(xiàn)噸級的中試生產(chǎn)規(guī)模。這一突破，使得石墨烯改性技術變成了現(xiàn)實。就憑這兩件法寶，我相信不久的將來我們可以在磷酸鐵鋰上創(chuàng)造奇跡！
第五章 引進人才 構建未來
時至今日，寧波材料所已經(jīng)走過了不平凡的五年，已組建了六個事業(yè)部，在此基礎上，昂首跨入二期的建設，籌建兩個新的非法人研究所—新能源技術研究所和先進制造技術研究所，即將形成寧波工業(yè)技術研究院的大格局。寧波材料所人以前所未有的氣概正經(jīng)歷著一個氣勢恢宏的新征程，正所謂“平臺起英才聚克難攻堅滿五載，料打成材；雄心壯志氣高開拓創(chuàng)新再十年，材鑄為器”。在2010年初，我的團隊整體轉入了新能源技術研究所，戴寧所長命我為儲能技術研究部門的召集人，希望在我團隊的基礎上，引進若干高級人才，籌建儲能技術研究部門。我于是廣發(fā)英雄帖，誠招天下英才。在諸多簡歷中，發(fā)掘了正在在國內外著名科研機構和公司從事鋰電研究的黎軍博士、王德宇博士、田爽高工、許曉雄博士、夏永高博士等。在經(jīng)過學術交流、人才評審等程序之后，上述人員都獲得了研究員、正高工和副研究員職位。黎軍研究員和王德宇研究員已經(jīng)在2010年底到崗，并開始組建其研究團隊。黎軍研究員主要從事儲能材料的設計、計算和模擬研究工作，在美國硅谷的一家公司任職多年，該公司許多在研產(chǎn)品都是基于其理論計算而來的，可見在鋰電領域，基礎研究也一樣是技術創(chuàng)新的源頭。我相信黎軍研究員的加入，將從材料和系統(tǒng)的基礎理論角度，為我們儲能技術領域做出重要貢獻。王德宇研究員則攜其在美國西太平洋國家實驗室研究鋰空氣電池的基礎，進一步開展我們已部署的前瞻性研究方向--鋰空氣電池。另外三位同志也即將在2011年初陸續(xù)到崗。許曉雄博士將與我一起開展全固態(tài)電池方面的研究工作，夏永高博士則全力協(xié)助我開展下一代動力鋰電池的正極材料及其產(chǎn)業(yè)化技術研究，而田爽作為正高級工程師，在電池研發(fā)方面有著異常豐富經(jīng)驗和人脈關系，將全面涉入電池及電池系統(tǒng)的設計、制作、試驗考核。田爽的加入，可以說從研發(fā)的后端解決了我們的后顧之憂?？偠灾@些重量級人才的加盟，迅速壯大了我所儲能技術領域的研究力量，為爭取快速發(fā)展的局面奠定了堅實的基礎。
在我所十二五及中長期發(fā)展規(guī)劃文本中，動力鋰離子電池被確定為儲能技術領域的重點發(fā)展方向，在2010年底，動力鋰離子電池技術研究又被遴選為我所“7+2”重大研究計劃優(yōu)先啟動的項目之一。近年來，動力鋰離子電池受到人們的廣泛關注，已廣泛應用于電動工具和玩具領域，并已逐步進入電動汽車、再生能源發(fā)電和智能電網(wǎng)等領域，全球動力鋰離子電池需求量隨著應用領域的不斷擴展而逐年增加。然而動力鋰離子電池的安全性、成本以及一致性又成為其大規(guī)模應用的瓶頸。特別是電動汽車在有限的空間和重量的情況下，目前的錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池無法滿足電動車的200公里以上的續(xù)駛里程，這促使科研工作者進一步探索新型的高能量密度鋰離子電池正負極材料及相關的電池設計和制造技術。作為承接我所動力鋰離子電池項目的研究團隊，我們立志于開發(fā)高比能、高比功率的鋰離子電池材料及其動力電池，降低動力鋰離子電池的生產(chǎn)成本和使用成本，實現(xiàn)其在電汽車和規(guī)模儲能技術的示范應用，為我國新能源汽車、再生能源發(fā)電以及智能電網(wǎng)的發(fā)展提供可靠的技術保障！