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专访陈忠伟院士(字字珠玑谈产学研)

专访陈忠伟院士(字字珠玑谈产学研)

陈忠伟简介:加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)化学工程系教授,滑铁卢大学电化学能源中心主任,加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院(IAOEES)副主席,加拿大工程院院士。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队常年致力于燃料电池,金属空气电池,锂离子电池,锂硫电池,锂硅电池,液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来在Nature EnergyNature NanotechnologyNature CommunicationAngewandte Chemie International EditionAdvanced MaterialsEnergy & Environmental ScienceJournal of the American Chemical SocietyACS Nano 等国际知名期刊发表论文230余篇。目前为止,文章已引用次数近 14000次, H-index 指数为58,并担任ACS applied & Material Interfaces (ACS-AMI) 副主编。

课题组主页:http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

 

能源学人:请您简单介绍下您的科研工作,主要涉及哪些储能体系及材料的研究?

 

陈忠伟老师:我和我的团队长期从事新能源材料与储能技术的基础研究及产业化工作,在基础研究方面,我们团队致力于燃料电池,锌空电池,锂离子电池,锂硫电池,液流电池等储能体系的开发研究,聚焦新型催化剂材料研发,高性能电池正负极材料的制备,电解液的设计与合成以及下一代新型电池技术的研发等。我们的期望是尝试通过对先进纳米材料在清洁能源中的应用探索为储能技术产业化提供解决方案。

而在产业化方面,我们团队研发的商业电网用可充放锌离子液流储能技术在滑铁卢大学的支持下,已完成工程示范。目前正在大规模产业化阶段。同时燃料电池催化剂及膜电极等关键技术也已在产业化过程中。此外,我们的高能锂离子电池已进入中试阶段,正在进行商业化量产的准备工作。

将自己实验室基础研究发明的储能新技术新材料,逐渐推广形成商业化产品为社会服务,我觉得这是我作为科研工作者的最重要的价值。

 

能源学人:您认为科研人员最重要的品质是什么?

 

陈忠伟老师:科研人员具备很多可贵的品质:创新,专注,坚守,博学,合作,好奇心,甘做冷板凳,较强的逻辑思维能力等。很难说哪个品质是最重要的,从我个人的理解来说,创新与合作是我比较欣赏的。

首先,创新是科学研究的灵魂,科学研究工作最重要的是创新,因此拥有创新精神,敢于打破常规另辟蹊径是做好科研的前提。在基础研究领域,提出新思想,新概念,新方法,发表学术论文都是以创新为核心。再通过系统的实验研究将创新性的idea加以实现。在整个过程中,各种品质可能都会体现出来。比如,好奇心驱使我们诞生出新想法;而逻辑思维能力则能层层递进地凝练出核心观点;专注的思考与行动则有助于在纷繁复杂的数据中挖掘出科学规律;甘做冷板凳可以将该项创新性的工作推向深入。而在产业化研究领域,新技术新路线新产品的提出也有赖于创新。通过对原有商业化储能技术的创新优化,实现更高的性能和更低的成本;而通过对旧产品的创新升级,产生出更能满足用户需求和更安全的新产品。从更大的层面来说,创新也是一个国家进步的源泉。核心技术,关键技术,国之重器必须依靠创新来掌握关键自主知识产权。

第二,合作是科学研究的“催化剂”,科学研究工作正在走向大科学时代,越来越多的关键科学问题需要多学科交叉融合。在这个背景下,单个科研人员或团队很难具备所有学科的知识技能,攻关过程将变得费时费力。通过合作则可以大幅提高效率,各学科或领域的合作者可以相互探讨启发,多角度思考问题,并且能发挥各自所长,显著加快推动问题的解决或技术的突破。同时通过合作也能互通有无,相互借鉴,更容易催生出新思想新技术和新想法,促进科学事业的发展。

总的来说,除了创新与合作之外,科研人员应尽可能地多培养自己各方面的品质,实心实意把科研做好。

 

能源学人:目前很多人认为自己在“假装搞科研”,您对激发学生的研究兴趣方面有什么建议?

 

陈忠伟老师:科学研究常常被认为是枯燥无味的,它需要长期思考并多次尝试去努力解决一个问题。没有相当的热爱,这个过程会非常煎熬。因而导致一些学生失去兴趣而认为自己在“假装搞科研”。其实这是学生在科研入门前期经历的一种正常状态。作为老师,引导学生培养良好的科研兴趣帮助顺利度过该阶段就显得尤为重要。

第一,要meeting,学生在初始阶段,对课题的认识来自于对文献的拼凑理解,与学生一对一充分地meeting,进而了解学生的研究兴趣,通过在更广更高层面的阐述帮助学生深化理解该课题的研究意义与可能的研究成果,激发学生的热情和进取心。

第二,我觉得要鼓励自主探索,在课题选定之后我通常鼓励学生围绕课题中的一个关键科学问题进行自主探索。学生根据自己的研究兴趣,尝试自行设计方案然后与我讨论,把关之后就可以自由尝试,充分发挥他们的主观能动性,努力想办法解决过程中遇到的新问题,这时可以与博后,高年级学生讨论,也可以找我。

第三,要指导和点拨,随着课题的研究深入,遇到挫折时及时发现并指导有助于学生们克服困难,在瓶颈时,给予点拨能有效地帮助学生维持高昂的学术热情。

最后,我觉得要努力满足学生的成就感,成就感能激发学生的斗志,在学生的研究工作基本成型后,鼓励学生生动地讲好科研故事,精益求精地写好文章初稿和修改稿。当文章被目标期刊接受后,要求对整个课题研究过程进行“复盘”,与课题开始前的憧憬做对比,激发他的成就感。在过程中注意培养学生各方面学术能力。

 

能源学人:您对目前商业化锂离子电池材料的未来发展方向有何见解?

 

陈忠伟老师:今年我们在Advanced Materials上发表了一篇关于锂离子电池发展30年的综述(30 Years of Lithium‐Ion Batteries,Advanced Materials, 2018, 1800561. 文章链接:www.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201800561),从实验室到商业化和目前的前沿研究三个方面对电池材料的发展进行了系统叙述。这其中目前商业化锂离子电池的主流材料是高镍三元匹配硅碳。我简单谈谈对正极,负极和电解液三方面的个人理解。

正极材料方面,目前三元锂离子正极材料镍钴锰的动力电池虽然比能量已经达到170mAh/g,但仍然无法满足目前对高能电池的应用需求,合成稳定且高容量的高镍三元材料及其产业化是下一阶段锂电正极材料的开发重点。同时,高电压富锂锰基材料的研究也亟待突破。此外,对锂电正极材料循环稳定性的机理研究方面也需加强。在电池充放电过程中,如何保持稳定的层状结构以及抑制晶体裂缝的产生也是未来需要解决的课题。

对负极材料来说,现阶段主要使用石墨作为负极材料,但是其倍率性能已经开始难以满足动力电池的需要。由于负极材料基本决定了锂电池性能,未来硅与石墨的复合以进一步提高比容量可能会越来越重要,同时需进一步提高石墨材料表面包覆和与电解液的相容性等。

电解液与正负极材料的相容性以及本身在高电压下的稳定性都是未来重要的发展方向。同时功能性添加剂,全固态电解质等的研发也是未来的发展趋势。

 总之,进一步提高锂离子电池的安全性和比能量是未来着重需要解决的难题。

 

能源学人:您认为燃料电池与锂离子电池或其他电池体系相比,哪个能在未来10年内的动力电池方面有更大发展?

 

陈忠伟老师: 我们今年在Nature Energy上发表了一篇题为“Batteries and fuel cells for emerging electric vehicle markets”的综述文章Nature Energy 2018, 3, 279–289. 文章链接:www.nature.com/articles/s41560-018-0108-1,结合电池研发,市场推广及产业化前景,对动力电池的技术发展及商业化进行了深度解读,我们深度融合了学术界和工业界对动力电池的能量密度,成本,安全性以及电网兼容性所提出的要求及制定的标准,系统评估了不同种类的动力电池的市场应用前景。目前燃料电池,尤其是氢燃料电池已成功应用在日本丰田公司Mirai汽车上。虽然其成本高,加氢站少,但其能量密度高、只排放水、续航里程长,因而未来的发展非常令人期待。锂离子电池除了在消费类电子产品等领域取得了广泛的商业化应用,作为动力电池它也已成功应用于特斯拉汽车。未来在能量密度提高,安全性,快速充电等方面应该会有更长足的进步。我们有理由相信燃料电池和锂离子电池会在动力电池领域会共生共存,并不是非此即彼的对立路线,他们可以满足各自的消费市场需求,蓬勃发展。

 

能源学人:您认为实验室全电池制备应如何建立一个统一的标准来评判技术的先进性?

 

陈忠伟老师:目前学术界发表的论文性能数据很多是基于半电池反应或不标准全电池数据,对工业界的借鉴意义有限。而现阶段在所有实验室建立统一的全电池制备标准存在困难。首先是规模不足,其次相关标准建立较为复杂,非一朝一夕之功。不过建立统一标准意义十分重大,不仅发表论文的性能数据可以直观比较,而且更稳定可靠,对工业界的参考意义也更大。我个人觉得制定全电池统一标准不仅需要学术界自身的推动,比如召开专门seminar会议商讨相关技术标准。而且学术界要主动去理解工业界的标准,并且联合下游力量,尤其是争取动力电池企业的参与指导,共同努力设立科学合理的统一标准来极大推动全电池行业发展。

 

能源学人:近几年,在中国电池相关文章呈指数型爆发,“电池科研无用论”也在圈内传播。有不少人认为自己所做工作“无用”,缺乏相应的实际应用,您怎么看待这一现象?

 

陈忠伟老师:中国的电池界同仁近几年取得了十分可喜的进步,发表了大量论文和很多高质量文章。我们必须清晰地认识到学术论文主要任务是探索下一代电池技术,未来的电池发展建立在论文的积累之上。刚刚前面我们也讲到实验室的全电池数据与工业界所关心的可能并不一致,也确实存在一些论文创新性不够以及与工业界脱节现象,但我们并不能因此否定学术研究的成果。未来我们需要加强学术与技术,大学(科研院所)与工业界的联系,打通实验室技术与产业化的通道。

 

能源学人:您认为中国高校研究所等机构应该如何提高“产学研”转化效率,让更多的技术能够落地,或者说您认为实验室研发技术向产业化转化,主要难题有哪些?

 

陈忠伟老师:中国的基础论文发文量已跃居世界第一,在如此多的潜在技术储备下,如何提高“产学研”转化效率,促进科技成果转移转化已成为当前中国科技界急需解决的重要议题,这其中实验室与工业界的脱节是其核心关键问题,亟待解决。就我个人的看法,需要成立一批高质量工程创新中心,主要有三方面功能。

第一,专司负责实验室到产业化之间的技术优化,二次放大与标准化阶段。实验室技术是建立在小试基础上,模型相对比较简单可控。在逐级放大的反应过程中,很多本来不显眼的因素,比如热量传递,质量传递和动量传递等可能会显著影响产品制备和性能提高,这方面需要系统的优化工作,较大的实验场地及定制的设备。而相关工艺的标准工艺包设计需要专业的设计院支持配合,以利于技术转让给相关企业。

第二,更重要的是工程创新中心还可以培养掌握核心技术的专业化工程技术队伍。通过具体项目的实施,培养他们深入理解技术转移转化中的共性和关键性问题,掌握其中的科学规律,同时又能敏锐地洞悉市场的需求,研发新一代技术。从更大的层面上来说,能急国家之所需,吸收世界先进技术,研发并且真正掌握具有自主产权的核心技术,国之重器。而且在此基础上也能作为智库,为各级政府在产业化工作方面优化布局未来前瞻性的领先技术。

第三,设立创业孵化器为技术产业化创造一个良好的成长环境和全面的发展支持。 严格筛选最具创业欲望的个人和团队形成浓厚的创业氛围,并经常邀请工业界和初创公司的导师举办各类讲座,帮助他们组建和完善创业团队。同时设立种子基金,择优支持相关创业项目,低价或免费提供为期数个月甚至数年的办公场地和业务咨询,支持其扩大业务。孵化中的很多初创公司能直接获得企业界的指导和反馈,帮助不断修正定位,同时能得到风投公司的资金支持。在孵化过程中创造出的知识产权,绝大部分可以归创业团队所有。当初创项目形成一定规模后,必须具备专业的商业管理团队,消费群定位明确,形成产品推向市场。

 

能源学人:您对中国90年轻一代科研者有无其他想说的话?

 

陈忠伟老师:中国90后年轻一代思想多元且充满朝气,同时遇到了中国科研最好的发展时期,中国的科研经费投入史无前例,国家对科技重视程度也史无前例。未来中国一定会成为全球科技创新中心。在这样最好的科研环境下,中国政府推出了“大众创业,万众创新”,产业化机会也很多。希望90后年轻一代能树立远大理想,抓住时机,勇立潮头。在科研过程中打好基础,助力成功!

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