人物专访:南开大学陈军院士!
纳米人 纳米人 2018-08-16

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陈军,无机化学家,中国科学院院士。自2002年起任南开大学教授、博士生导师。他于1967年9月生于安徽省宿松县,1985-1992年在南开大学化学系学习,先后获学士、硕士学位,并于1992年留校工作;1996-1999年在澳大利亚伍伦贡大学材料系学习,获博士学位;1999-2002年在日本工业技术院大阪工业技术研究所任日本新能源·产业技术综合开发机构(NEDO)研究员。现任南开大学化学学院院长、先进能源材料化学教育部重点实验室主任。

 

截至目前,陈军已在新能源材料化学领域发表学术论文360余篇,其中《自然》(Nature)和《科学》(Science)子刊8篇,《德国应用化学》(Angew. Chem.)19篇、《先进材料》(Adv. Mater.)18篇、《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)10篇,他引26300次,单篇最高他引1230次;分别在2009年为美国《化学研究评论》(Acc. Chem. Res.)、2012年为英国《化学会评论》(Chem. Soc. Rev.)和2017年为美国《化学评论》(Chem. Rev.)撰写综述论文。编著21世纪化学丛书《能源化学》、《化学电源:原理、技术与应用》等著作,译著《可持续世界的能源》(从石油时代到太阳能未来)。获中、美、欧发明专利授权23项,其中多孔尖晶石与层状电极材料的专利获得应用,取得了一定的经济效益。曾获2011年度国家自然科学二等奖、2006年度和2016年度天津市自然科学一等奖、2009年度国家教学成果一等奖、2013年度中国电化学贡献奖、2014年国家万人计划科技领军人才、2018年度全国“五一”劳动奖章等奖励。


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陈军同时兼任中国化学会理事、中国电化学专委会主任、天津市化学会理事长,中国可再生能源学会氢能专委会副主任,中国仪器仪表材料学会储能专委会副主任,英国皇家化学会会士,目前还是《无机化学前沿》(Inorg. Chem. Front.)、《中国科学:材料》(Science China: Materials)和《应用化学》副主编,《Solid State Sciences》、《ACS Sustainable Chem. Eng.》、《ACS Energy Lett.》、《Nano Research》、《J. Energy Chem.》国际顾问编委,《化学学报》、《物理化学学报》、《电化学》、《电源技术》等期刊编委。

 

纳米人专访


1.  纳米人:请您简单介绍一下您课题组的主要的研究方向和发展情况!

陈军老师:我们课题组重点关注新能源材料化学领域研究,具体一点就是新能源电池材料化学方向的研发。主要研究和发展情况分为两个步骤:

 

第一步起步阶段:从1989年本科毕业论文开始到2002年回国独立开展工作以来,一直从事储能(氢、锂等)电极材料的研究。在回国工作的起步阶段,一开始只有自己一个教师带学生(估计大部分科研人员一开始都是这样),肯定有很多兴趣,想做的事情也有很多,但人少、条件有限,这需要选准、选好方向并且聚焦坚持,这一点很不容易;当时花了近三个月时间,发现与电池紧密关联的化学、纳米、材料的交叉方向就是纳米材料电化学,这个方向很重要,但当时做的人还真较少;另外,国际上特别是发达国家对锂电池的研究很支持,而中国当时还处于刚起步阶段,所以就逐步投身锂电池纳米材料电化学的研究。

 

一路走来,遇到不少失败、痛苦,但也收获成功、快乐,回首关山思绪万千,感受最深的就是要把自己的研究方向与国际学科前沿、学术主流、研究兴趣进行有机结合,同时要把科学研究贯彻于学生培养的全过程,讲方向与思维、讲过程与结果、讲细节与实验(理论),既仰望星空,又脚踏实地,把理想与现实结合,勤奋积累电池研究的学术人生。这应该就是不忘初心,牢记本来、砥砺前行、向着未来。

 

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第二步发展阶段:纳米材料电化学涉及研究相当广泛,需要掌握能源、化学、材料、纳米、物理、化工等多学科的交叉知识并实际运用,这就需要大团队合作、大平台研究、大项目支撑、大成果产出。

 

在回国开展工作5年左右,注重搭建平台,在同行们的大力支持下,先后创建了能源材料化学天津市重点实验室(2007)、高效储能教育部工程研究中心(2007)、先进能源材料化学教育部重点实验室(2009)、国家2011计划天津化学化工协同创新中心-新能源光电转化与储能科技平台(2013)、新能源材料化学教育部国际合作基地(2016)、新能源科学与工程新工科(2017),承担国家纳米重点研发计划、973与863项目及课题等。众人拾柴火焰高,这样就能吸引更多人才(包含教师和学生)来开展新能源材料化学的研发。

 

最近南开化学学科入选双一流建设,经过学院学术委员会、教授委员会等会议形成共识,围绕新物质创造科学中心,将合成科学、功能材料、生命健康作为支柱方向来优先发展。目前在新能源电池材料化学的研究方向包含:侧重能量储存转换的二次电池如锂离子电池、钠离子电池、液流电池、金属空气电池等,侧重能量转换的太阳能电池、燃料电池等,侧重这些电池的无机与有机电极材料、固态电解质、新型碳材料等绿色合成制备与(光)电化学功能导向,同时还研究开发一些光电化学光谱学的原位表征技术,组装能量高效转化与储存新器件与系统,并且获得新功能实现新性能突破,这些研究既体现广度宽度,又体现厚度和高度。

 

总体上,课题组提出了电极微纳化可改善多电子电极反应活性和结构稳定性的设想,经大量实验制备了可充锂、钠、镁电池的微纳多级结构电极,提高了电池的安全性,为降低电池电极材料成本及解决电池燃烧爆炸问题提供了新思路,并将这些拓展至新型氢能源材料领域。提出了“室温-氧化还原-转晶”新合成方法,室温合成出稳定的导电纳米尖晶石CoMn2O4,替代贵金属铂电极,应用于可充电金属锂、锌空气电池。构建了“可充室温钠—二氧化碳电池”,为缓解温室效应及二氧化碳的再利用提供了新策略。构建了高能量密度、高安全性能的水系锌离子电池体系,为大规模储能应用提供基础。

 

2. 纳米人:您对高能量密度电池或者说动力电源的未来发展方向有何预测?比如如何看待氢氧燃料电池,锂金属电池(Li-S、Li-O2)以及锂离子电池(包括三元正极)?

陈军老师:高能量密度电池是动力电源未来发展的核心。个人认为以上所提及的多种高能量电池体系中,锂离子电池与氢氧燃料电池都有很大优势。

 

目前锂离子电池已在信息化、移动化、智能化方面获得广泛应用,技术发展相对成熟,同时已在新能源汽车的动力电源方面处于产业化应用示范阶段,主要技术要求是高能量密度、高功率密度、长循环寿命、高安全性、低成本,其相关的材料开发都应考虑这些,如正极三元高镍及富锂层状材料、负极硅碳复合负极、新型电解液及相关表界面结构优化等正受到全世界的高度重视,也正在聚力攻关,如能量密度达到300Wh/kg以上,同时具有很好的循环稳定性和安全性,将在电动汽车领域极具发展前景。近年来,我国在电化学能源前沿、电化学研究方法和电化学工程技术等方面发展迅速,这必将为锂离子电池在新能源汽车上的应用提供有力支撑。

 

关于氢氧燃料电池,特点是具有化学电源中最高的理论能量密度,绿色清洁环保(产物是水)、能量转换率较高(80%左右),是最有望替代燃油的一类电池体系。但氢氧燃料电池面临可再生能源规模制氢与安全高效储氢、Pt催化剂成本降低、质子交换膜(Nafion)成本降低、电池模块性能提升与成本降低等问题,另外还受到配套设施等诸多因素的制约(如需要增压设备或附属设备较多)。

 

实际上,氢氧燃料电池产业化是一项复杂的系统工程,目前从全世界看,日本做的最好,体现科学与技术的有机结合。我国近十多年来一直布局,是值得我们长期关注的研究体系。特别是近年来,我国开始加大对氢氧燃料电池领域的规划和支持力度,已将氢氧燃料电池的发展提升到了国家战略高度,政策出台也越来越集中,随着氢氧燃料电池技术的突破、新能源汽车的快速发展,以及国家对清洁能源的日益重视,相信我国科技工作者在该领域一定获得快速发展。

 

关于金属锂-硫(Li-S)电池,存在的难点问题有:1.放电中间产物(长链的多硫化锂)易溶于液态电解液形成穿梭效应,导致活性物质的损失和短的循环寿命;2.硫正极和放电最终产物(Li2S)的导电性不好,使得锂硫电池的倍率性能较差;3.硫正极存在较大的体积膨胀(约80%),会导致活性物质的脱落和较低的利用率;4.金属锂负极可能会与溶解的多硫化锂反应,导致SEI膜的反复溶解和较低的库伦效率,此外锂负极还存在枝晶问题。

 

关于金属锂-空气(实际是氧)(Li-O2)电池,是二次电池中能量密度最高的电池,但还处于实验室研究阶段,因其涉及到更为复杂的表界面电化学反应,在充放电性能、长循环稳定性及安全性等方面还需要较长时间的探索。Li-O2电池的难点问题有:1.放电产物Li2O2导电性较差,不易分解,导致充电过电位大,能量效率低;2.Li-O2电池对空气中的水分等比较敏感,一般只能在纯氧的环境下运行;3.Li-O2电池是开放体系,电解液容易挥发;4.金属Li负极也存在枝晶等安全问题。

 

应该指出,无论Li-S电池与还是Li-O2电池,都与电解质更加紧密关联,亟待开发新型电解质和构建良好的电极/电解质界面,目前一些优化后的电解质的离子电导率能够达到应用的要求,但是电解质的化学/电化学稳定性和界面的兼容性仍有待进一步提升,值得进一步攻关。

 

3. 纳米人:您能否说说在储能方向上国内外研究方向上的不同点吗?国外科研单位在该方向上更侧重什么?这对国内的科研工作有何启示?

陈军老师:储能有多种方式,主要包括物理储能与化学储能,物理储能有飞轮储能、抽水储能、压缩空气储能、电磁储能等(这些应该是电-电间接转化),化学储能有物质储存入储氢、电池储能等(这些较易实现电-电直接转化)。

 

目前储能领域大都处于研发阶段,少量项目进入示范或与商业化阶段。欧美和日本等发到国家十分重视储能技术,特别是美国、日本、德国、澳大利亚将储能视作一个独立产业并且出台了专门扶持政策,美国较早发展储能,在各个储能方向都有布局,应用示范项目最多,日本在电池储能技术例如钠硫电池、液流电池和改性铅酸电池方面较为领先,欧洲特别是德国针对住宅储能(光伏电池-二次电池联用)的部署日益增多。

与国外类似,我国储能研究更多地集中在电化学储能方向,包括二次电池和电容器。在电池储能如新型铅酸电池、锂离子电池、液流电池等应用及示范上都取得了可喜成果,在一些新型储能体系与储能材料例如水系可充电池和有机电极材料基础研究上也有进展。无论是接入可再生能源和智能电网削峰填谷,还是微网建设与岛礁供电,储能对于幅员辽阔的我国意义重要,应受到更多重视。

 

另外,国外在储能系统工程、储能行业标准的制订、储能技术的战略评估等方面的先进经验值得我们借鉴。20世纪是哪里有石油,哪里就受到关注。在21世纪是哪里有阳光,哪里就产生财富(因阳光、风能等可再生能源是间歇不连续,必须解决储能)。

 

4. 纳米人:您如何看待中国的电池研究?能不能给材料科研领域青年人才提出一些建议或者意见?

陈军老师:中国的电池研究整体上处于世界第一方阵,受益于从电化学科学、电池材料到电池系统和集成、电池规模应用(特别是3C电子和电动汽车应用)等完整且规模宏大的基础到应用的全产业链条,我国电池研究条件得天独厚,虽然起步不算早,但经过几代电化学科学与技术人员的积累,到现在发展势头迅猛,研究队伍日益壮大,人才梯队建设逐步完善,学术产出越来越丰硕,产学研结合也越来越紧密。

 

虽然近年我国电化学科学与技术得到了长足的发展,但也应清醒的看到,在科学技术发展日新月异的今天,我国电化学领域在基础理论方法发展、解决国家重大需求、学科交叉等方面仍然面临着一系列新的挑战。

 

特别是电池材料科学是实践性、应用性很强的学科,电池材料领域的科研人员的研究视角常囊括了电化学基本反应原理、电极表界面结构与电化学动力学过程、材料结构认识、材料功能与结构关联规律、新材料创制、材料性能改进、材料器件集成及应用等方方面面,材料研发目标“料成材,材成器,器有用”,也就是我们经常听到的“既上书架、又上货架”。期望青年学者更多的结合国家需求,能够集中精力,选好方向,在某一类材料或某一种材料上潜心耕耘,做精做细,有所突破。

 

5. 纳米人:我们了解到您的课题组也有非常多优秀的学生,我们很想知道您对组内研究生更注重哪些方面素质的培养?您对那些有志于将来从事科学研究的学生有什么建议?

陈军老师:人才培养与科学研究就像两只抓手,是高等学校学科建设的核心,“千里马常在而伯乐不常在”,实际上“青出于蓝而胜于蓝”,这就要求高校教师要有博大情怀,要将“人才是第一资源”贯穿于人才培养与科学研究之中。

 

正如教育家梁启超先生倡导:教育要教人不惑、教人不忧、教人不惧,这就要求教师要大力培养学生(实际上教师也一样)的独立思想、自由精神、探索未知、理性批判、求真务实,从而获得创新能力。“中国要强盛、要复兴,就一定要大力发展科学技术,努力成为世界主要科学中心和创新高地”“只有培养出一流人才的高校,才能够成为世界一流大学。”

 

在人才培养过程中,教师起主导作用,学生为创新主体,要处理好教师与学生之间的关系,做好沟通交流,探索更加贴近学生、更加有效的育人方式,培养科学氛围,特别注重培养学生高起点、高要求、高标准,对待学生科研要严谨、严肃、严格,做好基本训练、基本理论、基本技能培训,增强安全与责任意识,为不惑、不忧、不惧提供基础。

 

学科的厚度和高度与研究生培养紧密关联。在学生培养中,注重培养学生的发现问题、分析问题和解决问题的能力,掌握科学的思维方法,提升科学素养,能够透过现象,认识本质,总结规律,有所发现,有所发明,有所创造。

 

同时,要有开放的胸怀,加强国际化视野与培养,特别要与国际顶尖一流高校(研究所)实行交流与合作,只有与世界一流选手在一起,才能获得更好地发展。

 

特别是现阶段,国际形势复杂,对中国发展是机遇与挑战并存,要避免极左极右的观点,需要电化学基础科学与工程技术领域的广大科技工作人员,要积极主动学习、终身学习,形成独立思考、自由选择的能力,并且欣赏他(她)人、激发自我潜能。

 

因此,只要做到自我定力、开放包容、坚忍不拔、持之以恒,滤去心中浮躁,萃取知识精华,崇尚科学精神,拥有人文情怀,一定能不断提升内涵、创新发展、追求卓越、勇攀高峰,为国家培养新一代世界一流电化学科技人才做出重要贡献!

 

PS:陈军院士近期在JOULE有一篇重要综述,敬请期待!

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