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孙永明:“1 万小时”的锂电池专家

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-04-10  浏览次数:1149
核心提示: 自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出35岁以下创新35人(Innovators Under 35)榜单,旨在于全球范围内评选出被认为

      自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35)榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。

      2017 年,该全球权威榜单正式推出中国区评选,并已公布并首届评选结果。现在,《麻省理工科技评论》正式开设“35岁以下创新35人”中国榜单专栏,以人物报道的形式帮助中文读者了解这些来自中国的新生代科技力量。

孙永明·发明家

“1 万小时”的锂电池专家

获奖年份:2017 年

获奖时年龄:34 岁

获奖时职位:华中科技大学武汉光电国家研究中心 教授

     获奖原因专注锂离子电池材料,开发独特的正极锂补偿添加剂提高电池能量密度,开发复合型负极材料改善柔性/可拉伸电池关键的能量密度、机械强度和稳定性等技术指标。

    随着便携电子产品和可穿戴电子产品的发展,锂离子电池等新型储能器件的研究也借着东风向前推进。锂离子电池凭着优异的功率密度和能量密度,已经得到了广泛的应用,我们身边很多电子产品都采用了锂离子电池作为供能系统的核心。尽管如此,锂离子的容量一直受到首次充电的困扰,容量在一开始就会损失一部分。我们现在广泛使用的锂离子也被称为“摇椅电池(Rocking Chair Battery)”,在其的充放电过程中,锂离子处于从正极-负极-正极的运动状态,就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就像运动员一样在摇椅来回奔跑。

    电池中锂离子的多少就决定了锂离子电池的容量,理想状况下正极送出多少锂离子,负极就该送回来多少锂离子。但在首次充放电的过程中,锂离子电池的负极会消耗一部分来自正极的锂离子(一般 10% 左右),这样最终能回到正极的锂离子就少了一部分,电池的实际容量和能量密度也会相应减少。

      针对这样的问题,孙永明教授开发了新型的锂离子电池正极锂补偿添加剂材料。这是一类由超细纳米金属颗粒和锂化合物(Li2O, LiF 和 Li2S)组成的纳米复合材料,能在锂离子电池首次充电过程中高效补偿活性锂损失,如将 4.8% Li2O/Co 复合材料添加于 LiFePO4 正极,全电池的容量增加了 11%。和传统富锂化合物作为正极锂补偿材料相比,该类材料可“捐献”比容量增加了 2 倍以上;和负极锂补偿材料相比,该类材料具有高的化学和环境稳定性,能够和工业化的锂离子电池制备工艺相匹配,具有良好的工业应用前景。孙永明教授将这样神奇的材料和研究成果发表在国际级能源类顶级期刊《Nature Energy》上,并作为第一作者在文中揭示了其中逆转化反应的电化学过程。文章一经刊登便受到了引起了国际同行的极大关注,也使得孙永明教授成为储能电池界的新星。

     34 年前,孙永明出生于美丽的江南水乡——浙江绍兴。他是天生勤奋的“学霸”,与同在在这片土地上的大师鲁迅一样,他也刻下了一个“早”字,不过并不是在自己的课桌上,而是在自己的心里。从小学到初中,班级的钥匙保管员一直是由孙永明担任,因为他每天总是班上第一个去学校。也正是这份执着,他的成绩一直名列前茅。历经高考,孙永明带着自己对科学的热爱和执着来到了武汉,开始自己在楚地的十年寒窗,依旧的勤奋,依旧的名列前茅。2002 年,孙永明进入中国地质大学材料科学与化学工程学院,开始本科的学习,并在四年之后以优异成绩保送本校硕士。在那里,他似乎总是早别人一步,大三的时候就在学术期刊上以第一作者发表论文,临近硕士毕业也早早地开始准备博士生入学考试并于 2009 年硕士毕业后以第一名成绩考入华中科技大学读博,拜入黄云辉教授门下,选择了锂离子电池作为自己研究的方向,这也成为他迄今为止奋斗的主题。

    博士期间,孙永明一方面努力地开展科研工作,一方面也早早地开始准备,申请毕业之后进入美国斯坦福大学崔屹教授的课题组中做研究。谈起这段经历,孙永明教授总是将自己的成长环境联系起来,觉得虽然从小家庭和成长环境很一般,但是给予了他在学习和生活中遇到问题和困难都想办法解决、有梦想就去追逐的坚强性格。梦想成真的孙永明博士毕业后前往美国斯坦福大学从事博士后,投入崔屹教授门下,进入了锂电池“领跑者”的研究团队中。正是在斯坦福,他从正极材料锂补偿添加剂出发突破了锂离子电池首次循环容量损失的难题,还针对柔性、可穿戴及可拉伸电子器件所需储能器件所面临能量密度低和机械性能差等问题,设计和制备了一种由具有竹子结构的石墨化碳纳米纤维组成的柔性自支撑薄膜。用该薄膜直接作为电极制备的柔性固态超级电容器,展现出更高的整体功率和能量密度,并且具有更佳的机械性能,该项成果也被发表在《Nano Letters》上。

    此外,孙永明教授突破了可拉伸离子电池用负极材料的选择限制,利用自愈合高分子的机械可拉伸性和能提高锂离子电池硅负极材料充放电循环稳定性的特点,设计和开发了一种可拉伸的碳/硅复合负极材料,该材料拥有较传统可拉伸锂离子电池用负极材料(钛酸锂)3 倍以上的比容量,以及优良的充放电循环稳定性 (100 次循环容量保持率为 81%) 和机械性能(可拉伸至 88%),而其相对较低的负极工作电位也增加了全电池的整体能量密度。

                                                                                                          图丨孙永明

     科学界一直有一条“1 万小时”的真理:“人们眼中的天才之所以卓越非凡,并非天资超人一等,而是付出了持续不断的努力。1 万小时的锤炼是任何人从平凡变成世界级大师的必要条件。”孙永明教授在 4 年的博后研究生涯之中交出了如此骄人的答卷,正是 1 万小时定律完美的诠释。成为锂离子电池专家的孙永明于 2017 年告别斯坦福,并于 2017 年 8 月载誉归国,成为华中科技大学教授,回到了他梦开始的地方,投身到科研工作和教学工作中,并继续着自己的研究。

    孙永明教授的研究方向主要是电化学储能材料及器件,在锂离子电池锂补偿技术、锂离子电池转化反应基负极材料、金属锂负极材料和固态电解质、柔性/可拉伸储能材料和器件和锂硫电池方面取得了重要研究进展,在能源和材料领域国际著名学术期刊上发表论文 52 篇(第一作者论文 21 篇,含 SCI 论文 18 篇),其中不乏众多国际性顶级期刊 Nature Energy(2 篇;能源类顶级期刊)、Advanced Materials(1 篇)、Energy & Environmental Science(1 篇)、Nano Letters(2 篇)、Advanced Energy Materials (1 篇)、ACS Nano (1 篇)、Advanced Functional Materials (1 篇) 等。

     无论是在武汉,还是在美国的斯坦福,孙永明总是那个勤奋的科学研究者,他保持着 20 多年来一直努力学习和科研,每天都会静下心来安静地长时间学习和思考,他将中国高校共有的“求真务实”和“求是创新”精神与斯坦福自由、进取的学术风气融在一起,开始了自己的自主科研的道路。而另一方面,他成为了一名大学教师,在科学研究的同时,承担着育人乃至知识传播的责任和担当。谈起自己对研究的愿景时,他觉得科学永远是一项公众事业,是公益性的,它应该为社会、世界、和全人类服务。孙永明教授从事的研究工作为储能电池,主要是锂基可充电电池,研究兼具了科学性和实用性,也有着它历史的使命。在全球能源与环境问题越来越严峻的情况下,交通工具将改用储能电池为主要动力源;而智能电网,大规模储能技术也需用到储能电池。而锂基可充电电池被认为是高容量,大功率电池的理想之选,也是未来能源和绿色生态的希望。

 
 
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