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专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真

专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真
人物简介

刘金平,武汉理工大学首席教授、湖北省“杰出青年基金”获得者、英国皇家化学学会会士(FRSC)。长期从事纳米储能电极与器件方面的研究,在三维电极表界面设计与制备、柔性/薄膜固态储能器件(超级电容器、二次电池)等方面取得了一系列的研究成果,在Energy& Environ. Sci.、NanoLett.、Adv.Mater.等期刊上发表SCI论文近120篇,包括6篇特邀综述,被NatureEnergy等SCI他引13000余次。主持了国家重点研发计划重点专项子课题1项、国家自然科学基金3项等项目,授权发明专利近10项,出版中英文专著(章节)2部。现为科技部“高效能源转换与存储无机材料创新团队”核心成员,任湖北省新能源动力电池工程技术研究中心副主任,Energy& EnvironmentalMaterials副主编(Wiley)及5本国际英文期刊编委(IOP/Elsevier/Springer)。曾获Elsevier“中国高被引学者”和科睿唯安(Clarivate)“全球高被引科学家”等荣誉。


刘金平教授在ICEnSM2019期间受邀采访,以下为采访实录


专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真

第一个词应当是坚持,我觉得我是一直在坚持做自己的(研究)。比如我做电容器始终聚焦在三维电极电容器方面,做了很多年,从读书到现在一直没有间断。在我最初选择这个方向时,学术上都觉得这种非常规电极比较另类,但我还是坚持了下来。如今,这类结构的器件不仅有很多基础研究的价值,而且在未来柔性/可穿戴电子及微电子领域均具有极大的应用前景。

另一个词应当是求真。对于科学研究中一些应当澄清的问题、概念,我觉得是需要澄清的。可能这个领域,大家都不太关心这件事情,但我觉得科学需要严谨对待。我更倾向于通过写或者说的方式把它呈现出来,与同行交流讨论。但求真不代表钻牛角尖,如果大家都知道这个理解、说法或者概念有些问题,但没有人说出来的时候,我会倾向于将它表达出来。

专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真

我们的团队和课题组有一个大目标,想做一体化薄膜(准)固态储能器件。这是个大的方向,在这种器件构型的目标下面我们涉及到主要的类型是电容器,当前特别聚焦在混合电容器,这是具体的方向之一。

另外一个是电池,准固态电池或是聚合物全固态电池,这两类现在我们也比较聚焦。因为这两类(与三维电极结合)是倾向于一体化、薄膜型的。在未来,我们还会拓展到更前沿的钠离子电池、钾离子电池,甚至空气电池等。

专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真

电容器目前确实有些问题需要解决,这个问题不止针对于大规模应用,从基础研究领域来看,电容器也存在一些待解决问题。当然这个问题主要还是指非对称型电容器或混合电容器,它们未来要在市场大规模应用,还有一段路要走。对于传统对称型双电层电容器,我觉得已经比较成熟,在很多领域已经商用化。

其中有一个很重要的事情是预锂化的问题。国内有一些企业或是公司已经示范了混合电容器,比如锂离子电容器。但当前预锂化过程需要单独进行,增加了产业化的复杂性和挑战性。

所以现在不论是基础研究还是应用研究,都想找更简单的技术或是方法去尽可能简化预锂化过程。锂离子电容器中,石墨负极和活性炭正极都是不含锂的,但是这个器件要工作是需要至少一边有锂。大家希望能够用更简单的办法去解决,无论是学术还是技术层面,这都是一个难题。

特别是原位预锂化,这是当前学术界和业界都比较关注的一个话题。原位预锂化,就是直接装完电容器后,通过在电容器内部原位实现锂化,整体一个过程即可。探索新型的原位预锂化方法,既算科学问题,也算技术问题。

专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真

因为非对称的混合电容器,一边是电池行为,一边是电容行为。两个电极之间有两个方面很难匹配,一个是容量,另外一个是倍率。电池型电极通常比容量高、倍率低,电容型电极恰好相反。

如果要将混合电容器用来驱动新能源汽车或者一些城市轨道交通的话,电极需要相当厚,两个(电极之间)平衡就更难。正负极在容量和倍率上的同时匹配,是非对称和混合电容器中难度比较大的问题。

目前来看,这个问题有一种解决方法,用一些纳米材料,包括引入石墨烯,或用其它高活性纳米颗粒或者纳米结构到电池电极一侧,提高倍率;引入赝电容到电容电极一侧可以提高容量。但这样做,会产生一个新的问题,纳米材料表面的副反应也比较大,这会导致库伦效率降低——即不可逆的容量变大,严重影响循环性能。目前这个问题无论是在基础研究还是应用层面都是非常有挑战性的,属于需要思考的问题。

专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真

我觉得还是匹配的问题,即刚才所说的第二个问题。从学术角度来讲,第一个问题有时候可以暂时搁置,因为现在已经有传统的预锂化方法,复杂一点但仍然可用。第二个问题就不同,也是比较大的阻碍,就是两边如何完美匹配?

混合电容器在汽车上的应用,需要厚电极,实现匹配的挑战更大。所以我们在思考,用薄膜电极的话应该会好一些?因此我们提出,混合(hybrid)电容器是可以作为一类新型柔性储能器件的,是非常有特色的一类器件结构。作为柔性器件、薄膜型的器件,它可以驱动一些更小的电子设备。小的设备对面容量要求相对较低,可以不需要制备太厚的电极,扩散路径大大缩短,那电池型电极的倍率就比较容易提升;同时电容型电极的容量也较易提高。所以电极一旦变薄,就相对容易匹配。


但薄电极不能用在汽车上。对此,我们是在2015年提出,可以研究柔性混合电容器(flexiblehybridsupercapacitor),包括柔性锂离子电容器、柔性钠离子电容器等。如果说能把混合电容器往这个方向做,可能是很好的解决方式。

专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真

无论是学者也好,研究生也好,第一个很重要的素质我觉得是主动自学的意识。现在很多本科生在这方面没有得到很好地锻炼,但到了研究生阶段,主动自学的意识非常重要。

科研不可能总是依赖别人的灌输,它是要靠自己去学习和思考探索。导师或者教授,只能把握和给出一个较大的方向,具体的事情还是要靠学生自己来身体力行。

另外,我觉得思考非常重要。看文献时应当时刻反思自己的工作,给自己提一些问题。听报告时、学者间相互交流,要敏锐的把握别人创新的观点及方法,结合自身因素思考,这个过程我觉得非常重要。我们是一个以实验为主的研究领域,不断地思考他人的方法,聆听别人的想法、见解,在科研之路上才能走得更远。

最后是对研究领域的广泛兴趣。知识面要放宽、兴趣要丰富,拿储能来说,储能涉及到很多不同类型的器件。做研究,不能只关注一个点,我在做电容器,但并不是只关心电容器的领域。因为在整个电化学器件领域中,很多基础知识、基本方法和原理、实验过程都是相通的。开阔视野,才能触类旁通。

专访丨武汉理工大学刘金平:科研需沉淀,勿忘常求真

首先,要给自己更多的时间和耐心。有时候我和学生说,不能太急于求成,实验失败有很大的原因是想得到一个结果。结果也许不会那么快,做科研,必须要明白一个道理:一切的科研成果,都是靠之前无数失败堆砌起来的。

其次,做实验失败没什么可怕,关键是能否在失败中总结原因?我和学生说,至少要猜测出来究竟有几种可能的原因,通过分析再一一排除。当你分析完了所有的可能,下一步自然就水到渠成。做实验,切忌失败后失去信心,一遍遍地换方向。

总而言之,面对实验失败,还是要放平心态,积极对待,分析原因。随着经验的积累和时间的沉淀,总有一天会成功。


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