勇攀先進(jìn)材料高峰，創(chuàng)新貫通產(chǎn)學(xué)研

■ 采訪/楊晗之 受訪/陳忠偉

新能源產(chǎn)業(yè)、新材料產(chǎn)業(yè)、新能源汽車等是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，而先進(jìn)材料是這些戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基石，其發(fā)展不但會促使基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)、制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，還會對我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極影響。那么，先進(jìn)材料領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀如何？未來有哪些研究方向和應(yīng)用前景？《張江科技評論》采訪了加拿大首席科學(xué)家、加拿大工程院院士陳忠偉。

【Q】：請您介紹一下先進(jìn)材料在戰(zhàn)略性新興能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的研究進(jìn)展和未來發(fā)展前景。

【A】：我們知道，對于各個國家而言，材料工業(yè)是整個國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，而先進(jìn)材料制造又是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，引領(lǐng)整個行業(yè)的發(fā)展趨勢。10年前，中國匯集多名兩院院士及各行業(yè)專家，商討制定戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，旨在以科技引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)我國跨越式發(fā)展。時至今日，把握時代變革和實(shí)踐發(fā)展的新要求，科技革命得到了迅猛發(fā)展，先進(jìn)材料也取得了一系列突破，與信息技術(shù)、生物技術(shù)等相互滲透、融合，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化、智能化等，引領(lǐng)未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展新方向，特別是在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的地位舉足輕重。

新興能源是我國戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)，國家也發(fā)布了一系列的政策措施，對先進(jìn)材料重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行布局，如《中國制造2025》《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》等，為先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的市場空間。新興能源產(chǎn)業(yè)涉及風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)與利用，能源的儲存與利用，新能源汽車，鋰離子電池、燃料電池等各類儲能設(shè)備的開發(fā)等眾多領(lǐng)域。相應(yīng)的先進(jìn)能源材料，也主要涉及如鋰離子電池的電極材料、電解質(zhì)材料、隔膜材料，燃料電池的儲氫材料、催化劑材料、膜電極材料，太陽能電池薄膜材料等。這些先進(jìn)材料均是新興能源的關(guān)鍵技術(shù)，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心。

在鋰離子電池及燃料電池方面，我在《自然?能源》等期刊上發(fā)表了一系列如《用于新興電動車市場的電池和燃料電池（Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets）》《鋰 離 子電池的30年（30 years of Lithium-Ion Batteries）》等綜述性文章，結(jié)合電池研發(fā)、市場推廣及產(chǎn)業(yè)化前景，對電池技術(shù)的發(fā)展及商業(yè)化進(jìn)行了深度解讀。我們深度融合了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對動力電池的能量密度、成本、安全性以及電網(wǎng)兼容性所提出的要求及制定的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)評估了不同種類電池的應(yīng)用前景，從戰(zhàn)略上為高能量鋰離子電池及燃料電池指明了可能的發(fā)展方向，如鋰離子電池的關(guān)鍵材料（高鎳正極材料、硅碳負(fù)極材料等）的研發(fā)和燃料電池的關(guān)鍵核心技術(shù)（膜電極、催化劑材料等）的開發(fā)。

2019年，我在《自然?通訊》等期刊發(fā)表的一系列論文，如《固態(tài)電解質(zhì)分解產(chǎn)生的具有優(yōu)異電化學(xué)性能的功能性氧化還原調(diào)控電對（Electrochemically Primed Functional Redox Mediator Generator from the Decomposition of Solid State Electrolyte）》《鋰離子電池中轉(zhuǎn)換型電極材料的相態(tài)變化研究（Phase Evolution of Conversion-type Electrode for Lithium-Ion Batteries）》等，就最新的電池先進(jìn)材料研究，特別是下一代電池，即高能量密度、高安全性的固態(tài)電池， 進(jìn)行了最前沿工作的報道。另外，對于鋅空氣電池、鋰硫電池、鈉離子電池等各類電池及其先進(jìn)電極材料，我們的最新研究進(jìn)展及對未來發(fā)展方向的展望，也在國際頂級期刊進(jìn)行了系列報道。

陳忠偉加拿大首席科學(xué)家，加拿大工程院院士，加拿大滑鐵盧大學(xué)教授，2016年度加拿大最高國家科技獎“E. W. R. Steacie Memorial Fellowship”獲得者。因在能源材料領(lǐng)域的突破性貢獻(xiàn)而獲得國際認(rèn)可，其研發(fā)的先進(jìn)材料可應(yīng)用于電化學(xué)儲能以及能量轉(zhuǎn)化技術(shù)。

科技創(chuàng)新青年造就者圓桌峰會

洞見未來——最值得關(guān)注 的N個領(lǐng)域

【Q】：您的多項(xiàng)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，請您介紹一下您和團(tuán)隊研發(fā)的這些前沿技術(shù)的應(yīng)用前景和市場空間。

【A】：經(jīng)過我們研究及產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊多年的艱辛努力，我們在北美地區(qū)及中國實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，同時我們也有多項(xiàng)技術(shù)正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化及技術(shù)儲備。我們每一項(xiàng)前沿技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，一方面是依靠我們自身對核心技術(shù)的研究開發(fā)，另一方面也是基于其實(shí)際應(yīng)用前景及市場空間。因此，每項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化也同時伴隨著大量的應(yīng)用前景分析及市場調(diào)查，以掌握技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化時機(jī)、進(jìn)程及其生命周期。

目前，我們實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的項(xiàng)目，主要集中在各類新型的儲能材料及電池領(lǐng)域。例如，當(dāng)前大規(guī)模儲能是解決可再生能源接入，棄風(fēng)、棄光等問題的關(guān)鍵技術(shù)，是分布式能源、智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必備技術(shù)，也是解決常規(guī)電力削峰填谷，提高常規(guī)能源發(fā)電與輸電效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要支撐技術(shù)。 我們開發(fā)了大規(guī)模儲能用鋅離子液流電池，解決了傳統(tǒng)鋅離子電池面臨的電池能量密度低、電池負(fù)極充放電過程中發(fā)生的嚴(yán)重形變及枝晶，導(dǎo)致電池快速衰減甚至短路等技術(shù)難題。我們開發(fā)的電池具備低成本、長壽命、高能量、大功率、高效率、高安全性以及高環(huán)保等條件，而且設(shè)備維護(hù)和改造簡單，不受地域限制，可滿足大規(guī)模儲能所需要求，是大規(guī)模儲能的首選技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)調(diào)查，其市場空間在2022年將達(dá)到137億元以上。

在鋰離子電池領(lǐng)域，高安全性、高能量密度依然是鋰離子電池，特別是鋰離子動力電池，發(fā)展的方向及目標(biāo)?！案哝囌龢O+硅碳負(fù)極”成為下一代鋰電池的發(fā)展路線日趨明顯，高鎳正極、硅碳復(fù)合負(fù)極也即將迎來產(chǎn)業(yè)的快速增長期。我們采用新型技術(shù)所合成并產(chǎn)業(yè)化的非鈷高鎳材料具備多種特性：高的體相擴(kuò)散性，有助于提高材料的循環(huán)性能；高的壓實(shí)密度，實(shí)現(xiàn)高的體積能量密度；小的比表面積，可減少副反應(yīng)的發(fā)生；好的熱穩(wěn)定性；好的耐高電壓性；等等。在硅碳復(fù)合負(fù)極材料方面，我們采用特殊的電極處理技術(shù)，解決了硅材料的體積膨脹、電導(dǎo)率低等關(guān)鍵技術(shù)問題，所制備的材料在容量密度、循環(huán)壽命、熱穩(wěn)定性等方面具有突出優(yōu)勢，可將目前商業(yè)化鋰離子電池的比能量密度提高40%，循環(huán)壽命延長1倍以上，技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先。預(yù)計到2020年，高鎳正極材料的需求將達(dá)9.75萬噸，市場規(guī)模將破250億元。硅負(fù)極材料2017年產(chǎn)量達(dá)1800 噸，同比增速超過200%，預(yù)計未來3～5年隨著滲透率提升，硅碳負(fù)極可擁有的市場空間為50 億元左右。

固態(tài)電池由于具有極高的安全性及高的能量密度，是下一代電池的發(fā)展方向。我們采用新型技術(shù)開發(fā)出了高離子傳導(dǎo)性的固態(tài)陶瓷氧化物電解質(zhì)材料，低成本、高柔韌性、低界面阻抗的固態(tài)聚合物電解質(zhì)材料及膜制備技術(shù)，以及先進(jìn)的電池設(shè)計制造技術(shù)。這些技術(shù)有效地解決或減緩了固體電池所面臨的材料離子電導(dǎo)率低、固固界面相容性差、鋰離子遷移率低、界面阻抗大等難題，屬于固態(tài)電池的關(guān)鍵核心技術(shù)，在同行業(yè)中處于國際領(lǐng)先水平，其應(yīng)用前景廣闊。據(jù)預(yù)測，固態(tài)電池的市場規(guī)模到2030年將突破千億元。

除了以上介紹的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目外，關(guān)于燃料電池，國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出了燃料電池汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)?；痉稇?yīng)用。《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》進(jìn)一步描繪出，到2020年，我國燃料電池車輛要達(dá)到1萬輛、加氫站達(dá)100座，其未來的發(fā)展非常令人期待。然而，目前我國缺乏燃料電池關(guān)鍵零部件技術(shù)，基本無成熟產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)鏈配套體系很不完善，與國際先進(jìn)水平差距較大。此外，燃料電池的電堆耐久性差、功率密度低和低成本技術(shù)明顯落后。這些在很大程度上阻礙了我國燃料電池的發(fā)展。經(jīng)過研發(fā)團(tuán)隊的多年努力，我們在燃料電池催化劑、膜電極等方面，掌握了多項(xiàng)核心技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也在積極推進(jìn)。例如，我們擁有多項(xiàng)鉑基及非鉑催化劑合成、膜電極制備的核心技術(shù)，技術(shù)水平屬于國際領(lǐng)先、國內(nèi)首創(chuàng)。我們自主研發(fā)的全自動化膜電極涂布生產(chǎn)線，具備效率高、制造成本低、產(chǎn)品性能可靠和耐久性高等特點(diǎn)。利用該生產(chǎn)線，我們計劃在2019年下半年生產(chǎn)出與國際領(lǐng)先水平同步的車用燃料電池膜電極，產(chǎn)值將占據(jù)國內(nèi)燃料電池膜電極制造第一梯隊。相信在不久的將來，隨著燃料電池需求的蓬勃發(fā)展，我們的技術(shù)也會大放異彩。

【Q】：在新材料技術(shù)、新能源技術(shù)等領(lǐng)域，如何將創(chuàng)新與商業(yè)化模式有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化？能否分享一下這方面的成功案例和經(jīng)驗(yàn)？

【A】：首先，創(chuàng)新是根本?？茖W(xué)研究需要創(chuàng)新，成果轉(zhuǎn)化也需要創(chuàng)新，擁有創(chuàng)新精神、打破常規(guī)另辟蹊徑，是做好科研、搞好產(chǎn)業(yè)化的前提。對于科學(xué)研究，新思想、新方法的提出，學(xué)術(shù)論文的發(fā)表，都以創(chuàng)新為核心，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)將創(chuàng)新性的思想加以實(shí)現(xiàn)。在產(chǎn)業(yè)化研究領(lǐng)域，新技術(shù)、新產(chǎn)品的提出也有賴于創(chuàng)新。通過對新材料技術(shù)、新能源技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)更高的性能和更低的成本，以滿足市場的需求。創(chuàng)新要持續(xù)不斷，對成果轉(zhuǎn)化要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)一代、研發(fā)一代、儲備一代。

其次，建立一個高效的運(yùn)營機(jī)制。 新技術(shù)與商業(yè)模式的有機(jī)結(jié)合是實(shí)現(xiàn)科技成果成功轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，而建立一個高效的運(yùn)營機(jī)制是關(guān)鍵。高效的運(yùn)營機(jī)制可以將技術(shù)研發(fā)、技術(shù)支持、技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)孵化以及項(xiàng)目投資等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，各司其職，發(fā)揮整個團(tuán)隊的最佳效能。

再次，做好知識產(chǎn)權(quán)的運(yùn)營和保護(hù)。建議制定一系列促進(jìn)科技成果產(chǎn)權(quán)化、專利技術(shù)產(chǎn)品化、知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)化的有效機(jī)制，形成科學(xué)技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有機(jī)銜接。

最后，充分利用金融資本的力量?？蓸?gòu)建多層次、多元化的全鏈條的科技金融體系。針對企業(yè)的不同發(fā)展階段，由政府或社會資金以成立基金、參股或擔(dān)保貸款等方式解決融資問題，充分利用金融資本的力量。

在我們的某個產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中，為構(gòu)建研究成果產(chǎn)業(yè)化體系，經(jīng)過反復(fù)商討，我們制定了“研究院＋產(chǎn)業(yè)基地”的模式運(yùn)營：由研究院制定戰(zhàn)略方向，推動科學(xué)研究、產(chǎn)品研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、人員培訓(xùn)、知識產(chǎn)權(quán)運(yùn)營以及公共服務(wù)工作，推動創(chuàng)新，促進(jìn)國際合作交流；由產(chǎn)業(yè)基地進(jìn)行企業(yè)孵化、產(chǎn)品轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售、售后服務(wù)以及項(xiàng)目投資等。通過此運(yùn)營模式，我們成功實(shí)現(xiàn)了科研成果的高效轉(zhuǎn)化，也體現(xiàn)了創(chuàng)新與商業(yè)化模式有機(jī)結(jié)合。

【Q】：您作為加拿大國家智囊團(tuán)里最年輕的院士之一，取得了豐碩的成果，在電池高能效小型化等方面做出了非常杰出的貢獻(xiàn)，能否結(jié)合您的經(jīng)歷和體會給國內(nèi)眾多的年輕科研人員一些建議？

【A】：中國年輕一代的科研人員思想開放、富有朝氣，同時也遇到了中國飛速發(fā)展的時期，國家對科技的重視、對人才的重視史無前例，對科研的投入也史無前例。作為年輕一代的科研人員，要樹立遠(yuǎn)大理想，腳踏實(shí)地，夯實(shí)科研基礎(chǔ)。首先，科研人員要激發(fā)科研興趣，努力自主探索；要根據(jù)自己的研究興趣，從文獻(xiàn)中了解前人的研究進(jìn)展，挖掘新的創(chuàng)新點(diǎn)。其次，要保持一個開放的姿態(tài)，經(jīng)常與導(dǎo)師及同學(xué)交流探討，以深化對科研問題的理解，促進(jìn)科研的創(chuàng)新。再次，要耐得住寂寞，找得到成就感?？蒲泄ぷ骱芏鄷r候會令人感到枯燥無味，但一定要學(xué)會堅持，耐得住寂寞，甘坐冷板凳，從中發(fā)現(xiàn)興趣，找到成就感。最后，祝愿年輕一代的科研人，能夠在自己的科研道路上堅持到底，取得輝煌成就，為社會做出貢獻(xiàn)！