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遇見東師

2018.12.19
供稿單位
科學技術處
文字
吳心穎
攝影
鄭棋方
指導教師
杜昕璇
編輯
張軒維
審核
鄒云龍、呂春宇
主辦單位
黨委宣傳部
協辦單位
信息化辦
美術學院

探尋鋰離子電池研究密碼

——記吉林省“雙創”十大創新尖兵、我校化學學院謝海明教授

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  《清明上河圖》大概不會想到,自己會在九百余年后的上海世博會上“復活”。北宋的船只搖搖晃晃,穿越悠悠的汴河,跨過“百米長卷”,在中國館內與現代動畫、映像技術相遇,也與謝海明教授有了一場深刻的邂逅。就因著這驚鴻一瞥,謝海明再也沒能忘掉那次中國文化的博大精深與現代科技的力量給他帶來的震撼,以至于后來他自小研習刺繡的妹妹還投其所好,一針一線地為他打造了一幅《清明上河圖》的刺繡工藝品,如今,這幅歷時三年的刺繡就赫然掛在他工作室的墻上。
  說來也巧,謝海明教授的科研經歷,似乎也與《清明上河圖》有著某種遙遠的相似性。這么多年,他在鋰離子電池研究中展現出的堅韌、誠實、懷疑、開放、寬容、求真、合作……無不滲透著“清明上河圖”式的科研密碼,二者之間,貫徹著不謀而合的“Why”與“How”。而正如《清明上河圖》是宋人張擇端徐徐涂抹、細細描摹而成的杰作——謝海明的科研也是在這樣一點一滴的堅持中進步的,這是他多年來勤勤懇懇、兢兢業業的科研覺悟。
  謝海明是2002年才決定考學東北師范大學的。彼時的他已成家,在內蒙古民族大學有著不錯的任職。但自高中起便根生心中的對化學科學的興趣與對學術科研的決心,使得謝海明毅然辭去內蒙古民族大學的穩定教職,且暫離開家中妻女,獨身赴往師大追尋他的科學理想。
  來到師大進行了碩博連讀,熱衷實驗的他加入了王榮順教授在功能材料化學方向上的研究課題組從事鋰離子電池研究。此前,課題組在電池負極、碳材料研究上已有所成果,而當時限制鋰離子電池研究的最大瓶頸之一便是正極材料。謝海明由此跟從王榮順教授開始進行正極材料方向上尤其是磷酸鐵鋰材料的改性與產業化研究。面對磷酸鐵鋰本身低導電性的瓶頸,如何大面積數量級突破?這是當時課題組首先需要攻克的難關。早年實驗室的規模小、條件差,實驗基礎材料的制備都十分艱難。因材料的固相反應原理,要求材料必須均勻且細,否則容易接觸不良而導致實驗失敗,但苦于沒有球磨機,謝教授只能親自用手磨,“要不停地磨好幾個小時,經常磨到滿手起泡。”他每天早晨六點便來到實驗室,夜間十點才戴月歸寢,明明進行的是“正”極材料研究,卻仿若陷入了“負”極的旋渦——實驗屢戰屢敗。“那幾乎是一種無謂的、天天拼命的‘反復去做’。”回想當年,謝教授這樣向我們描述道:日復一日的重復操作,一次又一次的實驗失敗,與日劇增的生活焦慮與學業競爭壓力幾乎要壓得他喘不過氣來。當時的他,甚至落魄到只能用三元人民幣、采取各種艱苦的交通方式,輾轉從長春回到內蒙古老家。
  所幸始終有王榮順導師和實驗室伙伴們的悉心鼓勵與長久相伴,至謝教授讀博第五年,實驗終于成功了。利用導電高分子聚并苯對活性材料磷酸鐵鋰進行包裹,使其導電率提高了10個數量級。“十個數量級是不可想象的,一個數量級十倍,兩個數量級一百倍,三個數量級一千倍,十個數量級,材料就由不導體變成了良導體,于是一下就突破了材料的弱導電性”,而此工藝在國際上尚屬首創。很快,一篇以謝教授為第一作者身份的高水平研究論文在當時材料學領域國際最高期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發表,這是我校化學學院在該期刊成功刊載的第一篇材料領域的高水平SCI論文。為了慶祝,王榮順導師還帶著大家“奢侈”了一把:當時課題組20多個人聚到紫荊花飯店吃日本料理。
  此后實驗室的發展逐步向好。而在已有專利技術的加持之下,實驗室更是進一步地積極開展產學研合作,力圖從實驗室里的1%走到實用化的100%。“對科研人員來說,首先實驗是突破,更重要的是產業化突破,為經濟與社會帶來真正的作用。實驗是幾克、幾百克,產業化則是幾噸、幾百噸、幾千噸……從實驗到產業化的差距還很大,在這過程中,還得吃苦。”在謝海明的帶領下,實驗室團隊從長春坐大巴顛簸著去到遼源,進到農村郊外里破爛不堪的工廠,每天親手操作進行各種中試實驗。“做了大概有半年多,中試基本上突破了,一次能夠合成百公斤級的磷酸亞鐵鋰材料。百公斤級離噸級就很近了,這就只差設備的問題了。之后,憑借著技術的先進性,引來了眾多投資公司投資興業,整個研究項目逐步形成,以技術鏈帶動產業鏈,形成了產業集群,有效推進了我國新能源汽車的產業發展。
  而墻上的那幅《清明上河圖》始終是謝海明遙遠的知音,傾吐著關乎家國與歷史責任的科研密碼。正如這幅“盛世危圖”中藏著的畫家深厚的國家憂患意識——自然科學在當今中國處境尷尬的同時也藏納著巨大的潛力,好壞參半的科研環境令謝海明教授時刻保持著一種緊張度,胸中有溝壑,眼里存山河,這也正是他立志為祖國能源事業添磚加瓦的科研使命感。
  當然,除了科研使命感之外,或許也因為未知正是人類永恒的追求,科研本身即一場步履不停的旅程,“在世間自有山比此山更高”,需要不斷發現,不斷攀登。早期研究團隊與一汽客車有限公司合作開發的純電動客車成功產出之后,謝教授甚至都來不及感受成功的喜悅,便一股腦扎進了對產品性能的測試之中。他長時間地待在電動車上,“不停地坐在車上進行電池的測試,感受它的加速性能等等。”同時在現實生活中的靈感啟發下,謝海明教授研究團隊很快發現了電動車低溫性能較差的問題,零下二十度只能放出65%的電量,即無法在寒冷地區使用,這也是國際上鋰電池應用所遇到的重大缺陷。所以近五年研究團隊針對低溫電池開展了大量的應用研究,目前開發的超低溫動力電池,具有高度安全性和長循環壽命,20AH單體電池,-40℃冷凍24小時,1C放電仍能保持常溫容量的93%以上的比容量,完全滿足了高寒地區新能源車對動力電池的需求。
  “人的滿足心永遠是無止境的,人的求知欲也是無止境的。”謝海明說。對真理的追求與對自然的好奇是他永遠的初心與動力。就能量密度而言,金屬鋰排在元素周期表第3位的元素,其具有最高的放電容量,以鋰金屬為負極的全固態電池理論上可以達到700Wh/kg。全固態鋰電池由于不使用液態電解液,采用高能量密度的金屬鋰為負極,因此具有絕對的安全性和超高比能量密度,屬于下一代鋰離子電池技術。但采用高能量正極材料做固態電解質,又出現了電壓性高的難題。“現在我們的瓶頸點是,固態電解質的耐高壓性怎么提高?這又是一個難點,已經頭疼兩年了。我在實驗室里鋪設這么多方向,就是要解決這個耐高壓問題。就這一個問題,我們團隊四十多個人要一同去努力、解決。我們要無數次地試錯,從失敗中找到失敗的經驗,在上千次上萬次的科學實驗中逐漸進步,直到有一天出來結果。”同時,謝海明教授團隊還致力于加強國際合作,團隊和加拿大魁北克水電研究院、法國巴黎第六大學合作多年。現今,第三代的耐高壓三元全固態鋰電池即將完成實驗室研究,通過三元材料622體系可做到350 wh/kg。屆時,中國新能源車在此高安全高能量密度的全固態鋰電池芯的支持下,充一次電可行駛600公里以上。
  《清明上河圖》在現代科技的支持下得到了“重生”,謝海明教授的鋰離子電池研究及其中蘊含的科研密碼同樣在科學與時代的點滴進步中不斷更新。他所懂得的并不只是那幅古畫,更有《清明上河圖》“重生”的意義。在上海世博會親見的那一次現代科技與傳統結合的磅礴動態演示,是無數科研人員頗具現代與國際視野的智慧結晶,更是那些團隊協作與艱苦奮斗的勞動成果——這是他同為一名科研人員與實驗室帶頭人的深切共鳴,以及所有先進科技成果都能為之帶來的幾無差別的科技振奮。“現在我在等待另一個激動的時刻——充電一小時續航600公里的純電動車研發出來,這個目標是很重要的。”謝教授一個微微側身,從抽屜里取出實驗室自制的充電寶產品遞給了我們,繼續說道:“真正的科技成果是產業化成果,這才是最令人激動的。”他笑容張揚,既帶著成年人經年累月的沉穩與成熟,同時又像每個眼神明亮的少年人大聲描述著自己的夢想一般,他不無堅定地向我們說道:“我們未來的路還會很長,也許會走得很累,但我們很幸福,這可能就是痛并快樂著吧。”

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