“小界面”撬動“大能量”：大幅提高鋰電池安全性

在一個電池中，作為電極的固體與作為電解質的液體交界的地方，會發生奇特的變化。這里被稱為“界面”，通常惟有不到20納米厚，但它的結構和性質足以對電池的效率和壽命出現顛覆性影響。

自2011年起，我國科學院院士、廈門大學化學化工學院教授孫世剛作為學術帶頭人，在繼續3期國家自然科學基金創新研究群體項目（以下簡稱創新群體項目）支持下，圍繞“界面電化學”開展深入研究。過去9年里，他們從基礎科學問題出發，將原始創新的鏈條延長到產業使用中，讓“小界面”撬動起“大能量”。

聚焦！從基礎到使用

“界面電化學”創新群體項目始于2011年一月。基于廈門大學在電化學范疇的深厚積累，孫世剛率領該校科研人員獲得首期資助，于2013年十二月順利結題并通過國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）的考核，批準給予第一次延續資助。

2014年一月至2016年十二月，第二期項目結題后，該項目又通過自然科學基金委遴選、擇優給予第二次延續資助。在2019年十一月召開的創新群體項目結題審查會議上，“界面電化學”獲得全體評審專家的一致認可，以優秀的成就順利通過驗收。

得益于我國電化學奠基人之一田昭武先生對基礎研究應貢獻于社會的倡導，創新群體項目成員長期重視使用研究，已出現了大量基礎和使用性成果。因此，孫世剛總結道，在“3+3+3”的創新群體項目中，研究人員從界面電化學的基礎科學問題出發，越來越聚焦國家的重大需求。“我們第一期研究內容把所有的界面過程都囊括進來了，第二期內容則重在拓展新體系，更加關注基本辦法和理論的動態發展。”

“到了第三期以后，大家就在協商，怎么能找到沖破點，怎么把大家力量結合起來，真正處理一些緊要的科學問題，能夠對國家的需求作出一些貢獻。”孫世剛說。

在這一共識下，科研人員將新一期項目聚焦至能源范疇。為讓基礎研究成果真正面向使用，在第二期后期，趙金保被引進至創新群體項目中。曾在鋰電池加工公司長期從事研發工作的經歷，使他對基礎研究的理解有著很強的使用導向。幾年來，他率領課題組在國內率先成功研發第一代陶瓷功能隔膜和第二代具有多級溫度應和功能的高安全性陶瓷隔膜，已經實現產業化，創造了20多億元的產值。

趙金保解析，目前具有自主知識產權的第三代高安全性功能隔膜，利用了獨創的耐高溫超薄層立體再修飾技術，大幅提高了電池安全性。

孫世剛指出：“這9年3期項目的發展過程，不是僅僅圍繞一個科學目標去發散，而是充足體現了在認識科學問題方面的不斷深化，大家做了很大的努力，從基礎研究做到了實際使用。”

利器！辦法學收獲豐厚

電化學關于界面的關注，已經不是新聞。“界面發生的最緊要過程就是電子轉移，也就是氧化還原反應。”孫世剛告訴《我國科學報》，“物質到達界面，發生電子轉移后變成其他物質再離開。”

要為燃料動力電池、高能二次電池及鈣鈦礦太陽能電池等范疇面對的實際問題尋找切實可行的處理辦法，就非得通過更先進的原位表征技術，“看清”界面原子結構變化和分子反應等動態過程。

為此，創新群體項目成員廖洪鋼設計、研制出液體芯片反應池，發展了“電化學原位超高辨別透射電子顯微鏡”，實現了原子/分子尺度實時微結構可視化的觀測和實時物質元素價態變化的監測；任斌在國際上首次發展出電化學針尖加強拉曼光譜技術（EC-TERS），將測試靈巧度進一步提高5~6個數量級；楊勇開發的“高空間辨別電化學原位固體核磁共振技術”，在高比能二次鋰電池關鍵材料儲能機理、電極反應規律及電極反應動力學研究上有著緊要使用。

有了這些“利器”，科學家在界面表征上收獲豐厚。例如，在高空間辨別固氣和固液界面表征方面，任斌課題組利用電化學針尖加強拉曼光譜技術，完成了雙金屬模型催化劑納米尺度空間辨別的電子性質研究，有望發展為原位表征催化劑表面結構及反應過程與機理的新工具。在固液界面動態表征方面，廖洪鋼課題組則利用高時/空辨別原位透射電鏡辦法，首次觀察到固液界面新奇的動態吸附層結構。

在孫世剛看來，探索辦法學實際上是一件非常辛苦的事。“要花很多精力，投入很大。”他說，“創新群體項目支持我們從源頭上基于科學認識創新辦法，發展出更先進的儀器設備幫助我們認識更多的新現象，又反過來促使了我們對界面本質和科學問題的深入理解。”

合作！優點互補相融相長

樂于合作的文化氛圍，是創新群體項目的一個特色。用創新群體項目成員、我國科學院院士田中群的話說叫做“合為貴”。田中群和孫世剛是在廈門大學讀本科時住在同一個宿舍的同學，多年的深厚友誼讓他們成為科研上的好伙伴。

“強調合作為貴，互相補臺而不是互相拆臺。”孫世剛指出。在創新群體項目支持下，廈門大學化學化工學院電化學學科的10多位教授發揮各自的強項，聯手共同處理關鍵科學問題。

趙金保看來，創新群體項目為開展相關范疇前沿科學研究供應了良好平臺，把從事不同方向工作的科學家凝聚在一起，完成思想火花碰撞。

例如，擅長掃描微探針表征技術的毛秉偉與擅長能源電化學基礎的董全峰緊密合作，用一種非傳統的電化學辦法，實現對堿金屬表面的電化學拋光和固態電解質界面（SEI）的原位成膜，不僅獲得了大范圍平整的金屬表面，而且構筑了平均光滑的SEI膜。“我相信這項研究能夠處理產業界的一些實際問題。”趙金保告訴《我國科學報》。

到第三期創新群體項目結題答辯時，孫世剛看到團隊樂于合作的氛圍在年輕一代研究人員中越來越濃厚。“我很高興，這個創新群體項目結束以后，不僅在廈門大學內部形成了協作攻關的氛圍，而且與外面學校的課題組也形成了交織合作，希望大家團結起來共同處理科學難題。”

“小界面”撬動“大能量”

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除