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集群专访丨黄学杰:中科院另类科学家的锂电情缘
2020.09.24
新材料在线® X 先进电池材料产业集群 联合专访
 
图片:受访人提供、图虫创意

 

黄学杰是中国科学院物理研究所的研究员,他行事不拘一格,颇有些像电视剧《亮剑》中的李云龙。

 

对于科研,他另辟蹊径,挑战别人眼里的不可能。1996年,他接下了锂电池产业化的艰巨任务,成为中国锂离子电池的工业化生产的第一批推动者。近期又带领团队开发出新一代锂动力电池及材料体系,直击动力电池行业密度、成本、充电速度等三大痛点。

 

对于角色转换,他敢于下海,亦舍得上岸。2003年,他和团队与联想投资合作,成立苏州星恒,将动力电池成果应用于动力锂电生产,建立起电动自行车锂电头部企业——星恒电源。企业走上正轨之时的2006年即默默退回了科学界,今天星恒电源已成为电动轻型车领域的知名品牌,尤其在二轮车锂离子电池领域生产份额领先。

 

游刃于科学研究与社会需求之间,黄学杰坦言自己希望专注研发,把一代代的电池及关键科研成果贡献给新能源行业,为能源革命出力。

 

 

 

01

刚进入超导领域没两年即转行做锂电池

 

 

上世纪八九十年代,照亮广袤中国乡村夜晚的,更多的是一束束手电筒发出的光,它们逐步取代了火把。而成功实现这种转变的支撑是手电筒里面的两节电池。

 

本来是去中科院物理研究所进行超导材料研究的黄学杰,去之前自己也不曾想过,会跳到锂电池领域做研究并扎根于此。

 

黄学杰与电池结缘的故事,源于1988年中国科学技术大学三十周年校庆活动期间结识了陈立泉老师。当时陈立泉院士的副业是超导材料研究,主业是固态锂二次电池研发。黄学杰从做测量电池性能的计算机控制自动充放电仪开始,逐渐迷入其中,之后后研究重点就转向了锂二次固态电池研究。

 

从超导行业跳到电池领域,他说自己也常常被人问到:“你一个科学院的科学家研究手电筒里的东西,有什么好研究的?”

 

这完全可以理解,当时研究超导听起来比研究电池要“高大上”得多。

 

1980年代末是超导材料研究的大时代,不少一流科学家追逐其中。1986年缪勒和柏诺兹发现陶瓷性金属氧化物,并荣获了1987年度诺贝尔物理学奖;从1986到1987年,短短一年多的时间里,临界超导温度相继被不同国家的科学家提高了近100K。

 

但黄学杰隐隐感到,锂电池的研究距离社会应用更近,紧迫感更强。

 

由于氧化物高温超导材料在应用层面未能展开,国内外超导研究项目开始收缩,不少科学家转入电池材料的研究。高温超导材料和电池的正极材料均有大量的过渡金属氧化物候选材料,因此也不难理解当初“跳槽”大军的选择方向。

 

当中有一段时间,黄学杰在荷兰Delft技术大学读博,在化工与材料系,他一边研究超导体在不同的气氛下的电子导电行为,一边将氧化物材料作为正极研究,发表了一篇聚合物固态锂电池的论文。

 

那个年代,研究与社会应用的结合点,似乎存在一些距离。

 

至1990年,由于锂固态电池无法产业化,液态锂二次电池产品在应用过程中也出现安全事故,该方向的研究也走到了尽头。

 

柳暗花明。1991年,索尼宣布推出全球第一款商用锂离子电池,具备高电压、体积小、重量轻、使用寿命长等特点。陈立泉院士作为日本东京工业大学的客座教授,获得一次机会参观索尼的生产线后,大为触动。他认为,锂离子电池将会有巨大的应用前景,一个全新的时代即将来临。

 

他火速给中科院的领导写了信,信中称:“锂离子电池必将走向成功,大变革即将来临。”这引起了国内的重视,一时间,做固态锂电池的科学家纷纷转变重点攻坚锂离子电池。

 

1995年,陈立泉院士带着学生在实验室做出小圆柱电池样品,但问题也随之产生:锂离子电池最终要实现产业化和走向市场,但锂离子电池的生产工艺和装备在国内当时是空白。

 

1996年初,时年不到30岁的黄学杰接任中科院物理所课题组长后,即接受了陈立泉院士交待的任务,将锂离子电池产业化

 

一头雾水的黄学杰并未见过锂电池工业化的场景,一筹莫展之际,他回想起在荷兰时认识的朋友日本松下电池研究部部长近藤博士,当即访问了位于大阪守口的松下电池研究部,参观了中试车间,在中科院特批专项经费的支持下,从多家日本装备企业引进了一批中试设备,包括间歇式转移涂布机、卷绕机、注液机等,“结合部分国产设备,我们建成了中国第一条锂离子电池中试线。”

 

1998年,中国的锂离子电池开始小批量的生产,首先生产的是18650型圆柱锂电,推向电视台记者广泛使用的广播级摄像机,至今天,他注册的“方向”品牌电池仍是该领域的知名品牌,市场份额领先。

 

从那之后,中国的锂离子电池产业逐步从3C产品应用走向储能应用。

 

 

 

02

打破砂锅问到底 研究新一代锂电池

 

 

长期扎根基础研究的黄学杰,遇到问题总爱打破砂锅问到底。

 

他认为,研究应与应用相结合,要解决应用中出现的问题。锂离子电池的大规模应用之一是在新能源汽车领域。而电动汽车尚面临续航里程不足、价格贵、充电速度慢等三大痛点问题。

 

“我觉得研究成果的经济性是很重要的。”黄学杰对《大国之材》表示。

 

黄学杰了解到,正极材料的成本部分决定了电池整体的成本,其在整个电芯中成本占比达30%以上。

 

他决定从正极材料的研发入手。

 

他发现,早期日本和加拿大的锂电池研究者尝试往锰酸锂掺杂一定量的镍,把1/4的锰换成镍的时候,会形成高电压的平台,电池工作电压大幅度提高,这对于提升电池能量密度和降低成本非常重要。

 

镍锰酸锂作为一种高电压正极材料,其电压平台在4.7 V左右,比能量超过600 Wh/kg,由于镍锰酸锂材料主要由镍元素和锰元素组成,不含钴元素,因此较为环保,成本也较为低廉。他认为,如果取代现在成本最具优势的磷酸铁锂正极材料制造动力电池,单体电池及系统能量密度可提升40%,成本可降低30%。是最有潜力商业化的下一代高电压正极材料。

 

但是,他很快遇到瓶颈,原来电压过高导致电解液被分解,这个问题一直无法突破。高电压下,尖晶石镍锰酸锂电池电极材料与电解液之间剧烈的副反应,以及副产物对整个电池体系的破坏,是限制镍锰酸锂材料商业化的最大障碍,这也是不同体系正极材料在未来走向高电压过程中所遇到的不可避免的难题。

 

黄学杰不信邪,跃跃欲试。他很快找到了核心问题所在:界面不稳定。只有想办法将界面稳定下来,这个材料才能用起来。

 

咬住这个问题不放,黄学杰持续了十几年时间,从小课题研究开始,到逐渐加大投入,几千万到上亿的资金砸进中试线,最后研发出表面结构稳定的正极材料与电解液界面膜和耐高电压的电池体系,具体包含:高电压正极材料表面改性技术,高电压镍锰酸锂材料电解液开发匹配技术,高电压辅助配套材料的匹配技术,高电压辅助配套材料的表面改性技术。

 

 

目前三元动力电池,能量密度高,但成本也高;而磷酸铁锂电池成本低,但系统能量密度不足。高电压镍锰酸锂则兼具两者的优势,预期比目前具有成本优势的磷酸铁锂电池能量密度高出40%,相应成本则降低约30%。 

 

“生产线不用做任何变化。”他通过材料的改变来帮助行业实现降本增效。

 

“在续航里程方面,把新能源车不敢开空调的电量给它补上了,电池价格的下降也能让新能源车突破了补贴的门槛。”黄学杰表示。

 

黄学杰预计再有一年左右的时间,部分汽车公司就能用上镍锰酸锂电池。

 

针对新能源车充电速度瓶颈的问题,黄学杰则开发出以锡为主的高密度处理合金,由于锂离子在锡介质的传输速度是其他材质的100倍以上,黄学杰通过把锡做成纳米银线,混入负极中,“等于给锂离子传输修了条高速公路,我希望把充电时间压缩到10分钟以内。”

 

针对这些能改变应用现状的科研成果,他带领团队已成立创业平台公司启动产业化。

 

 

03

敢于下海 舍得上岸

 

 

这不是黄学杰第一次创业。

 

在开公司这件事上,黄学杰颇有经验,而且在中科院系统也获得过重大支持,动力电池产业化起步阶段的主要投资人是中科院系的成都地奥集团和联想控股。

 

这要从他的研究成果说起。

 

实际上,黄学杰在高电压电池方面是早已开展研究,在2000年就通过表面改性,把钴酸锂材料稳定循环的充电电压由4.2V推到4.5V,容量提升30%以上,随之发表了4.5V高电压钴酸锂的首篇论文。“因为科研人员就是会去做自己有兴趣的事情,去做引路人。”

 

在黄学杰研发4.5V高电压钴酸锂的时候,也有人认为是胡思乱想,说钴酸锂从来就只能做到4.2V,脱嵌锂量大于50%以后材料结构将不稳定。黄学杰偏要向“虎山行”,后面通过纳米氧化铝的界面层修饰解决了难题,证明4.5V以下体相结构稳定性问题不是主要矛盾。

 

接下来,他将同样的原理应用到锰酸锂并解决了锰酸锂的高温循环稳定性问题。锰酸锂价格便宜,更贴近工业化要求。在成都地奥集团等投资人的支持下,2000年黄学杰自任总经理,在石景山区建设动力电池中试基地--京星恒

 

2001年,研究成果刚出来,汽车电池还没有市场需求,但彼时国内电动自行车数量庞大,有数据显示,2001年产量达到近60万辆,生产电动自行车整车企业已超过300家。

 

老科学家何祚庥先生建议道:“电动自行车仍在用铅酸蓄电池,笨重而且污染大,为什么不设法换成锂离子电池呢?”中科院领导同意了这个思路。但项目产业化需要的经费令人咂舌。黄学杰伸出了两个手指头,“两亿!”

 

院领导听完直摇头:“中科院重大项目经费是2000万,哪来的2个亿?”说归说,但项目还得做,于是院领导建议联想集团的柳传志总裁考虑这个项目。

 

经过大半年详尽地市场调研分析,联想投资入股,在苏州高新区成立星恒电源启动动力电池产业化。

 

尽管刚起步时较为坎坷,但现今的江苏星恒已成为两轮车电池的供应巨头。然而,正当产业化步入正轨,黄学杰却辞去企业管理职务,他要回到物理所做研究。

 

令黄学杰哭笑不得的是,为了这个项目产业化,黄学杰挨了中科院两位主要领导的批评。一位批评他不专心经营企业,老惦记着回物理所搞科研;另一位则批评他不专心搞科研,去外面当总经理。

 

黄学杰则在《科学日报》的访谈里说:知识分子要敢于下海,舍得上岸。

 

“当成果往应用转化的某些关键时段,科学家也必须全身心地投入。”功成之时,黄学杰选择了身退。他感慨道,经营企业不难找到更有职业经验的经理人,但各个领域更需要一批优秀的科学家长期耕耘,才能在一代代技术迭代过程中立于不败之地。“当今面临复杂的国际形势,我们感受尤深。”

 

他觉得科学家是有情怀的,有些东西是永存的,“行业不断地往前走,我们更希望看到的是,产品技术迭代发展,我们做过的每一个产品都生气蓬勃。”