固态电池“斗士”——崔光磊研究员


来源:中国粉体网   文正

[导读]  中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员。

中国粉体网讯


图源:中国科学报


崔光磊,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员,博士生导师。“十三五”国家重点研发计划新能源汽车专项——高比能固态电池项目负责人(首席科学家)。中科院深海智能技术先导专项副总师(固态电池基深海能源体系)。主要从事低成本高效能源储存与转换器件的研究。作为负责人/课题负责人主持承担国家自然科学杰出青年基金、国家973计划、863计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目、联合基金,省部级及中科院先导专项、企业横向项目等多项科研项目。先后在材料、化学、能源材料等方面的国际权威杂志如Nat.Commun.、Angew.Chem.Int.Ed.、J.Am.Chem.Soc.、Adv.Mater.等发表相关论文400余篇,被引用2万余次。申请国家专利228项,已授权122项;申请PCT专利7项,授权欧洲专利1项。出版《动力锂电池中聚合物关键材料》书籍一部。获得2017年青岛市自然科学奖一等奖(第一完成人);获得2018年山东省自然科学奖一等奖(第一完成人);获得2021年青岛市科技进步奖一等奖(第一完成人)。


组建团队,深耕固态电池


崔光磊出生在青岛北部的平度市,是地地道道的山东青岛人。高中毕业后,他考上了山东师范大学化学系,由此与能源化学专业结下不解之缘。工作后,他又考到中科院化学所获得了有机化学博士学位,之后赴德国马普协会高分子所和固态所从事博士后研究。


2008年,那时青岛能源所成立没多长时间,崔光磊与首任所长王利生相遇,并第一时间被能源所发展的远大志向所感染。“你这个专业我们要扩展,国家也需要,希望你能来我们所工作”。35岁的崔光磊回到青岛,开始组建固态能源系统技术中心。这是一支固态锂电池科学问题研究和工程开发并重的高水平科研团队。从2009年团队成立之初,崔光磊及团队就继承和弘扬老一辈科学家甘坐“冷板凳”和“十年磨一剑”的奋斗精神,静心笃志攻克固态聚合物电池科学难题。目前,崔光磊团队已经发展成为一支100余人的固态能源系统技术中心研发团队。


崔光磊团队骨干人员在中试车间工作合影(图源:科学网)


面对新一轮科技革命和产业变革的国际大环境,以及国家对高安全、高比能和长寿命锂电池在轨道交通、深海深空深地特种电源等领域能源动力的重大战略需求,崔光磊带领团队成员深耕自身专业领域,在青岛能源所创造出不凡的科研成绩。


科研成果先进,引发国际广泛关注


固态电池被认为是具备巨大应用前景的下一代电池技术路线,欧美、日韩等纷纷布局固态电池技术。在全球范围内,一场争夺固态电池关键材料与核心技术制高点的暗战已然打响,我国也急需推进固态电池发展与产业化。


崔光磊及其团队深耕聚合物电解质关键材料十余载,提出并发展大阴离子硼系锂盐,首创“刚柔并济”聚合物复合固态电解质和高离子电导自由基捕捉型粘结剂体系,极大推进和丰富了固态锂电池关键材料体系,提出并发展了原位固态化界面融合等核心关键技术,解决了困扰固态锂电池发展的“关键材料”和“固/固界面”两大瓶颈问题。


针对单一聚合物电解质性能不足、无法满足高性能二次电池的问题,崔光磊及其团队立足科学问题本身,在国际上提出“刚柔并济”聚合物复合固态电解质设计理念,以尺寸热稳定性好的“刚”性骨架材料为支撑,解决传统聚合物电解质尺寸热稳定性差和机械强度弱的瓶颈问题,辅以电化学窗口宽和室温离子传输性能优异的“柔”性聚合物材料和高离子迁移数锂盐,创建高通量离子传输渗流通道,进而构筑多元协同体系,开发出综合性能优异的“刚柔并济”聚合物固态电解质,有效兼顾了机械强度、离子传输等核心要素。


这种理念提出后,引起国际同行广泛关注,聚合物电解质创始人Armand教授以及2019年诺贝尔化学奖得主Goodenough教授均高度评价该理念。


历经十二载潜心研究和攻坚克难,目前,崔光磊及其团队已经形成了聚合物离子传输材料、高离子迁移数锂盐、功能性粘结剂等特色电解质关键材料体系和规模化制造技术,为全球高性能聚合物电解质发展提供了中国的解决方案。


除了材料突破,崔光磊带领团队在固态锂电池固/固界面壁垒问题上也取得了突破。聚合物固态锂电池的发展存在高电压界面相容性差、固/固多重界面载流子传输困难、长循环过程中固/固界面接触失效等诸多问题。针对这些问题,崔光磊带领团队从十多年前就开始布局,提出并发展了原位固态化界面融合技术,进而构筑电极/电解质一体化紧密结构,有效提升了固态聚合物锂电池界面相容性和循环稳定性。


团队提出的原位固态化界面融合技术顺利打通了固态聚合物锂电池从实验室基础研究到工程化应用之间难以逾越的最后一道屏障,该技术契合现有商品液态锂离子电池生产工艺,为高比能固态聚合物锂电池的规模化制备铺平了道路。


科技报国,为深海探测保驾护航


深耕固态电池领域多年,崔光磊及其团队先后研制出单体容量可调且安全性能优异的系列化固态锂离子电池产品,成功攻克全海深长续航动力电源系统核心技术,实现了全海深示范应用,引领推动了深海特种固态电源系统更新换代,打破了国外对这一保障国家安全关键技术的限制和封锁。


时间回到2016年,当时崔光磊赴北京出差,与曾为我国“蛟龙”号立下功勋的载人潜水器专家组组长、深海所负责人相遇。对方提出:“深海着陆器需要可靠的电池供电,你能不能先做一个小系统试试?不过时间要快,我们计划10月份出海。”


崔光磊回到青岛后,将事情向所里做了汇报,组织调配团队核心力量建立对标老科学家青年技术攻关突击队,聚焦固态锂电池材料体系及工程化应用技术难题,践行老科学精神,全力攻坚克难。董杉木、张建军负责将团队实验室中的固态电池技术输入到中试平台,韩鹏献、刘海胜负责固态电池单体的制备,吴天元高工负责深海电源系统设计、制备与验证。作为海底着陆器,关键是要在抗压力和小型化上下功夫。时间紧迫,压力繁重,该突击队更是咬紧牙关,从实验室到办公室两点一线,心无旁骛地向深海进发。经过不懈奋战,崔光磊带领团队研制的高比能固态锂电池系统,经深海高压环境模拟实验室压力实验显示,在121MPa极端压力下完好无损,供电正常。


2017年,崔光磊团队开发的固态锂电池电源系统随TS03航次科考船远赴马里亚纳海沟,为“万泉”号着陆器控制系统及CCD传感器提供能源,累计完成9次下潜,其中6次超过10000米,最大工作水深10901米,累计坐底工作时间98.5小时,顺利完成万米全深海示范应用。2018年,团队开发的模块化固态电源系统随TS09航次科考船再次远赴马里亚纳海沟,为“天涯”“海角”“万泉”等全海深着陆器提供能源动力,共计完成27个潜次的作业,15次下潜深度超过万米,最大下潜深度10918米。2020年,团队开发的全海深固态锂电池系统为“沧海”号视频着陆器提供充足的能量动力,成功保障了“沧海”与“奋斗者”的万米深海联合作业,视频见证“奋斗者”成功标注了中国载人深潜新坐标。


图源:央视新闻


从事科研最重要的就是专注和锲而不舍


在一次采访中,当被问及科研人员的品质、志向以及对青年学生的建议等问题时,崔光磊认为,科研人员最重要的品质是专注和锲而不舍,在研究方向上认准了研究方向就要坚持不懈地去做下去,常年积累会形成自己的特色工作或者标签工作。他讲道:“我是一名普通的科研工作者,我个人认为科学家们应该希望学以致用,通过科研积累知识和发展技术服务社会、造福人类。”


对于年轻人的建议,崔光磊认为,科研职业是通过研究积累知识和提升自己认知能力来开发工程技术,最终要学以致用反哺社会。不过,科研的道路上会有很多挑战和挫折。因此,做科研需要有耐心有毅力有恒心,面对困难要努力克服,不要轻言放弃,屡败屡战,才能取得最后的胜利;同时,青年学生需要大量阅读文献扩大知识面,开阔思路。在科研过程中一定要进行大量的试验校正、验证、深化和提升自己对科学问题认识,要勇于从失败中总结教训,善于从成功中归纳经验。


参考来源:

WILEY人物访谈——中科院青岛能源所崔光磊研究员.Materials Views

获诺奖得主点赞,突破“卡脖子”技术!他们是如何做到的?科学网

打破国外先进技术垄断!海底一万米,供电“无压力”.中国科学报


(中国粉体网编辑整理/文正)

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