相聚、团结、进取、创新…

　　凝结成为今天的淡定、自信和执着

　　我们拥有，属于自己的追求

　　进取，超越，我们疯狂而快乐地工作着

　　两年的科研生活历程，是一种工作态度，也是一种生活写照

　　灿烂秋季，亮出我们与创新的故事

　　谨以此文献给我的团队成员们以及长期以来关心、支持我们团队发展的领导、同事、家人和朋友们！

　　第三章  始于纳米 聚焦锂电 

　　在《回国这一年》文中，我详细描述了我回国之前的工作背景--纳米材料研究，回国后的工作则定位于锂离子电池。诸位也许会疑问一个从来没有做过锂离子电池和电化学研究的人，怎么能够组织和带领一支稚嫩的团队去“攻打”动力锂离子电池这个堡垒呢？是的，这样的质疑和疑问，至今仍然是我和我们团队面临的尴尬。为了解答大家的疑问，回应各方质疑，化解我们的尴尬，下面将从纳米材料与锂离子电池的关系出发，详细分析我们团队开展动力锂离子电池研究的动机和优势。

　　锂离子电池的核心是寻找和选择高能储锂电极材料。目前锂电池中所用的传统电极材料存在着利用率低、锂离子扩散慢、极化大等问题，制约着锂离子电池性能的提升。纳米电极材料以其独特的物理化学性能用于锂离子电池，具有减小极化，增大充放电电流密度，提高放电容量和循环稳定性等优点，有利于高性能、高容量和高功率电池的发展，因此锂离子电池电极材料纳米化是锂离子电池的一个重要发展方向。世界各国的电池材料研究人员在电极材料纳米化方面已经进行了大量的研究，取得了很大进展，有些科研成果已经变成了产品。最典型的一个例子是动力锂离子电池用的磷酸铁锂正极材料。磷酸铁锂由于电子导电率低及扩散系数小，因此限制了其在锂离子电池领域的大规模应用。将磷酸铁锂材料纳米化之后，则能显著地提高电池的充放电性能。纳米磷酸铁锂的粒径小，减小了锂离子脱嵌的深度和行程，提高了扩散率；大的比表面积，增大了反应界面，有更多的晶粒边界提供快速的锂离子扩散通道；颗粒越小，利用率就越高，不可逆容量就越小；更多的、密集的纳米级磷酸铁锂颗粒间的空隙，缓解了锂离子在脱嵌时的应力。这些特征都有利于提高磷酸铁锂电池的高倍率充放电性能。2001年才成立的美国A123 Systems公司就是凭借其磷酸铁锂纳米材料及其动力电池而迅速成为红透半边天的电池界新秀。A123的厉害之处是有办法将磷酸锂铁正极材料制造成均匀的纳米级超小颗粒（据称粒径小至100 nm），因颗粒和总表面积剧增而大幅提电池的高放电功率，而且整体稳定度和循环寿命皆未受影响。

　　事实上，动力锂离子电池最重要的研发目标除了高能量密度、高功率特性，还包括高安全性和低成本（或长寿命）。因此，一个无法生产加工高性能纳米电极材料的团队，对开发锂离子电池而言是毫无意义的。A123的磷酸铁锂纳米材料虽然性能表现优越，但由于生产成本相对较高，其售价一度超过30万元/吨，限制了它的大规模应用。国产磷酸铁锂材料的纳米化技术还不成熟，尽管大多数厂商都宣称拥有自主知识产权的纳米磷酸铁锂生产技术，但事实上几乎所有的产品都不是真正的纳米材料，一次粒子粒径通常为200-300nm（注：来自各企业的网页和宣传资料的数据），因而国产磷酸铁锂材料在电化学性能方面相对较差，制造出来的动力电池与电动汽车的要求还有相当距离。这种“准纳米磷酸铁锂”的生产成本自然较低（一般7-8万元/吨），为保证利润，售价一般为12-15万元/吨。实际上，即使是10元/吨的售价，对于汽车动力电池来说还是难于接受。许多专家和企业一致认为，当磷酸铁锂材料的价格降至7-8万元/吨或甚至更低时，磷酸铁锂动力电池的才有可能被大规模应用。由此看来，磷酸铁锂材料的性能和价格之间依然存在着巨大的矛盾。此外，磷酸铁锂材料的批次一致性依然是一个难于解决的问题，这给电池设计带来很大的麻烦，同时影响电池的配组和使用。

　　毋庸置疑，在电极材料纳米化方面，所有材料都面临着与磷酸铁锂相同的问题，那就是如何解决性能和成本之间的矛盾。面对这一矛盾，我们以往积累的纳米材料的研究方法和经验使得我们在电极材料纳米化方面具有相当的优势和特色，我们可以轻松地将以往纳米材料设计理念和制备技术，推广应用于纳米电极材料的研究和开发，简化合成工艺，开发能批量生产、低成本且产品质量稳定的制备工艺。实际上，近几年已有不少这种成功转型的楷模。斯坦福大学的崔屹教授，早前就是做纳米材料和纳米技术研究的精英，现在已经在锂离子电池纳米电极材料研究方面游刃有余了，时常在国际顶尖刊物发表他们小组的纳米电极材料研究成果，例如他们成功地用硅纳米线制成了容量为现有锂离子电池10倍的新型电池。国内也不乏早前从事纳米材料研究的好手变成了锂电新星，比如中科院化学所的郭玉国兄，物理所的胡勇胜兄。也有把纳米材料与锂电材料结合得很成功的企业，如创建于2007年的深圳德方纳米科技有限公司，是一家致力于纳米粉体材料研发和生产的企业，该企业把做纳米材料的经验成功运用到纳米磷酸铁锂上，发明和建立了一套全新的液相法合成磷酸铁锂纳米材料（一次粒子粒径100-150nm）的生产工艺路线。据悉，德方纳米的磷酸铁锂纳米材料市场反应不错，但不知售价如何？如果其生产成本不高，将颇有市场竞争力。

　　在纳米与锂电的结合中,我们始终是充满信心和激情的。我把自己在纳米材料方面的经验与团队成员在锂电方面的经验尽情地碰撞与融合，最终使得我们在锂电材料纳米化方面取得了不俗的成绩。最初，我们选定了磷酸铁锂和石墨烯两个当今材料界的超级明星材料为研究对象。经过两年的持续努力，经历了从实验室小试到目前的百公斤级中试，我们把磷酸铁锂材料做成了真正的纳米材料，一次粒子粒径控制在100 nm以下，而生产成本却没有增加。对于石墨烯材料，我们已经摸索出一种可以实现规模化制备高导电性石墨烯的创新方法。采用我们发展的方法，石墨细烯的生产成本可能降至800元/千克（初步估算值），使石墨烯的大规模应用变成现实。目前，科学研究在磷酸铁锂和石墨烯两种材料上可谓是热闹至极，高手如云，要想在其中占有一席之地，着实不易。比亚迪公司写下了中国创新型企业的神话，比亚迪的一位副总裁是这样解释他们的成功哲学的，“我们从不对核心技术感到害怕。别人有，我敢做，别人没有，我敢想。比亚迪每个单位遇到问题，我们都会说，你解决不了，不是因为没有能力，而是因为你缺少勇气。”我想，我们团队也是抱有这种哲学的。目前，我们团队除了研究磷酸铁锂和石墨烯外，还相继开展了高能能量密度动力电池正负极材料的研究，旨在为下一代车用动力电池提供核心技术。总之，我们团队已经将科研工作聚焦于动力锂离子电池。

　　第四章  建设平台 着手中试 

　　即将回国之时，我就开始谋划着如何搭建好锂离子电池实验室，因此不时向隔壁实验室Whtingham教授（锂电界著名学者之一）实验室的学生们取经，也留心观察了实验室的各种锂电材料制备设备和电化学测试设备，这为我打造自己的锂电实验室打下了最初的基础。于是，当实验室有了烧杯、烧瓶等瓶瓶罐罐之后，我立即着手购买手套箱，因为手套箱是开展锂离子电池材料研究的必备设备之一。然而，手套箱的采购流程很长，从调研、谈价到安装运行总共花了4个月时间，期间我们把材料制备设备（包括气氛管式炉、球磨机、高压釜、离心机等）、实验电池制作设备（如涂布器、冲片器、扣式电池封口机等）和材料电化学性能测试设备（如电化学工作站、充放电测试仪等）也相继买来了。2009年4月，当我们久违的手套箱到来的时候，我们宣告我们正式建成了锂离子电池基础研究平台。

　　随着科研工作的深入，我认识到，如果没有全电池制作平台和材料制备放大装置，我们的科研工作将会永远停留在做几个实验、测几个数据、发几篇论文的狭窄圈子里，也就谈不上动力锂离子电池的研究。此时，我的科研激情再次迸发，然而搭建这些平台需要数百万的经费。经费从何而来？钱投入了，能赚回来吗？这两个问题，极大地为难了我。经过一段时间的思考和调研，我与建刚一起撰写了《建设动力锂离子电池实验性》的白皮书，呈送给了所领导。所领导对此表示谨慎的欢迎，希望我们不要盲动。经过几个月的准备，在科技发展部的组织下，举行了动力锂离子电池实验性论证会，邀请了国内几位著名的学者以及电池企业的研发工程师，各位专家和领导对该实验线的建设提出了很多建设性的意见，建议我们进一步调研，暂缓启动，但基本上赞成在宁波材料所建成一个全电池制作平台。尽管对实验线暂缓启动感到一些失望，然而我们团队并没有就此停住，依然在做最好的准备和努力。论证会之后不久，我们深入到维科电池公司进行了为期一周的实习活动，对全电池的生产工艺和设备有了更深入的认识，为实验线的建设积累了大量的宝贵经验。

　　2010年过完年刚刚上班之时，崔所长严肃地“盘问”我在磷酸铁锂材料方面的工作进展，在听取我的汇报之后，崔所长建议我建设磷酸铁锂材料中试线，按我们的工艺小规模生产，只有这样才能真正攻克磷酸铁锂的技术壁垒。崔所长建议以所长基金的形式借款支持我们，敦促我们抓紧建成磷酸铁锂中试线和动力锂离子电池实验线，等项目经费到位的时候返还给所里。这一动议令我们团队激动异常，我们下定决心要做出一番成绩，奉献给宁波材料所，回报所领导的强有力的支持！

　　不久，我们启动了动力锂离子电池实验线和磷酸铁锂材料中试线的建设，前者有来自深圳比克公司的陈向魁负责，后者由张建刚负责，在两个月时间内，完成了主要设备的调研、招标、竞价、场地规划等各项事宜。接下来，为迎接各设备的到来，我们用了一个月时间又完成了实验室改造和装修。此时，夏天到了，绿树成荫，一切变得生机怏然，一阵微风吹过，总觉舒爽至极。设备也陆陆续续到了！然而，就要接近五一的时候，向魁却提出了辞职，令我不知所措。恰似泛舟于激流之上，突然撤去了一只浆般的无奈与焦灼。情急之下，只好—调用杨石榴，此时的石榴正处于被我多次谈话的境地，我希望他能跟着我们一起战斗，打起精神，振作起来。于是，我打算让石榴接手向魁的工作，也正好通过本项任务再一次检验他的工作能力和工作态度。尽管向魁做了非常认真细致的交接工作，然而石榴还是一时难于适应，不知如何进行这项临危受命的任务，我不断提醒他这次必须像一个英雄一样去战斗，无论多难，都必须给我把这个“碉堡”炸掉，为部队前进扫清障碍。石榴硬着头皮干下去了，但是却总是形神不一，每次问起工作进展都是一问三不知，实在令我失望。六月的下旬，我终于郑重地与他交底了，在两年的合同结束后（2010年7月15日到期），我将不再与他续约，请他做好被解聘的准备，抓紧找工作或联系读博士去。这是何等的残酷和无情？然而，我是强忍痛苦在断臂求存，在这场保卫战中，我不想看到我的团队的战斗力被削弱。我知道，石榴离开我这里，到了新的地方，他的状态和工作面貌也必然会发生改变的。在石榴离开之后，我又启用了王旭阳。旭阳是一个在工作中一直中规中矩，尽管我对她做工作的进度和深度不甚满意，但其良好的工作态度，我是充分肯定和认可的。在两年的科研工作中，她在Carbon上发表了一篇论文。然而，我认为，做实验、写论文的科研道路并不适合旭阳。在目前的形势下，如果她能够接手并完成实验线建设的后续任务，最终负责其运行，她就可以在这次锻炼和机会中实现一次突破，从此进入工程技术领域。之前，旭阳是去过维科电池公司实习的，我想她应当是最适合的人选。事实证明，旭阳从一开始的消极、不适应，到现在的积极、如鱼得水。在旭阳的努力以及团队成员积极地配合下，12月底，我们在实验室能够独立制作出18650型全电池了，旭阳果然“转型”成功了。在此基础上，我们将要添置若干软包电池设备，就可实现各种型号电池的制作，为全面评估我们研发的电池材料扫清了障碍，也为我们开展动力电池研究铺平了道路。 

　　建刚负责建设磷酸铁锂中试线，则一帆风顺，一切按照我们的计划进行。大概在7月底，喷雾干燥塔、气氛回转炉以及其它各关键设备均已完成安装和调试。喷雾干燥塔和气氛回转炉的安装过程是最令我们激动和感动的。这两个庞然大物，一个高达8米，一个长达6米，喷雾干燥塔超出了楼层高度，而回转炉超出了楼道进门的转弯能力，如何把它们按原来设想安放在预定的位置，这的确大大地难住了我们这群年轻人。然而，事在人为，我们相信没有什么困难能难住我们。我们找来了大型吊车，可是由于吊车太大了，进了D1大厅都无法转身，也无法舒畅地升臂，好在司机耍出了乾坤大挪移的之术，机器臂直指二层天花，几乎接近完美！恰似大话西游中的一段经典场景：当时那把剑离我的喉咙只有0.01公分，但是四分之一炷香之后，那把剑的女主人将会…。我看见，当时那只巨臂离天花板只有0.01公分，但是四分之一炷香之后，那只巨臂将会彻底地把喷雾干燥塔吊到预定位置的上空…。当巨塔落地瞬间，大厅地响起了热烈的掌声和欢呼声！回转炉的安装也费了我们无数心细。一开始，大家幻想从楼道扭身进入实验室，然而扭了十余次也徒劳。它的身材实在是庞大了！知难而退，大伙又如蚂蚁一般合心协力把这个大家伙推出去了。建刚当即开始联系一台叉车，同时联系毛一鸣师傅，决定把窗户拆了，从窗口爬进去。大伙开始七手八脚起来了：挪路灯，搬钢板，卸玻璃，锯窗户（拆窗户是毛一鸣师傅操刀，我们感谢他），垫矿木，上叉车，扎绑带，起叉车。回转炉修长的身体在颤抖着，它疼吗？同来的厂方安装工程师已经惊出冷汗，因为整体设计的钢铁炉膛万一发生弯曲，整个设备可能要报废。叉车缓慢逼近窗台，室内手动叉车也慢慢逼近窗台，慢慢的，慢慢的，终于在快要贴近窗台的时候，室内叉车接住了炉子的另一端，接下来，整个炉子逐步被拽如室内。经过3个小时的努力，这个巨型炉子就这样被服帖地放入了狭小的实验室，犹如一头不听话的大象被赶进了饲养室。 

　　8月初的高温假过完之后，建刚带领其小组开始了磷酸铁锂材料的正式中试。中试工作没有想象的简单和容易，经过约1个月的试验，建刚等人才基本摸清每一台设备的“性格”和“脾气”，至9月底，终于“生产”出了第一批合格的磷酸铁锂材料。中试过程是辛苦的！在回转炉运行过程中，每天晚上必须有一个人通宵值班。起初值晚班大家是很激情很兴奋的，大家准备了方便面、火腿肠、榨菜，甚至还有啤酒，在小办公室与烧结室之间来回穿梭。大家看到自己亲手配成原料在回转炉中进料、煅烧、出炉，犹如目睹自己孩子出生一般兴奋莫名。至12月底，建刚他们已经完成了15个批次的中试实验，生产了多种类型磷酸铁锂产品，目前已送样给多家电池企业，评测结果也将陆续得到反馈。

　　磷酸铁锂材料从97年问世到现在，吸引了无数人的目光，更使众多科研工作者和技术人员对其折腰。至2010年，全世界有百余家企业从事或涉及磷酸铁锂的研发生产，国内就有近百家企业争鸣，短短几年之内就被做烂做俗了，各有技术路线，产品品质参差不齐，呈一派混乱局面。我们现在才开始中试，有何法宝能在这种乱象中脱颖而出呢？我们的法宝是：磷酸铁锂的纳米化以及石墨烯改性。纳米材料的制备技术及工艺是我们所擅长的，目前我们中试产品可以将磷酸铁锂一次粒子控制在100nm以下，且工艺成本得到很好的控制，使产品具有很高的性价比。石墨烯改性则是我们的另外一个法宝。石墨烯改性的磷酸铁锂材料具有非常优异的电化学性能。国内外已有不少将石墨烯与磷酸铁锂复合的研究案例，然而多数停留于基础研究阶段，仅仅局限于发表几篇论文，无法真正形成放大生产的工艺。原因在于石墨烯的规模化制备技术还未突破，市场无批量石墨烯的供应。由于我们从一开始就开展了石墨烯的制备研究，至今已经突破了石墨烯的规模化制备技术，实现了公斤级的制备，只要多给些时间和支持，我们很快可以实现吨级的中试生产规模。这一突破，使得石墨烯改性技术变成了现实。就凭这两件法宝，我相信不久的将来我们可以在磷酸铁锂上创造奇迹！

　　第五章  引进人才  构建未来 

　　时至今日，宁波材料所已经走过了不平凡的五年，已组建了六个事业部，在此基础上，昂首跨入二期的建设，筹建两个新的非法人研究所—新能源技术研究所和先进制造技术研究所，即将形成宁波工业技术研究院的大格局。宁波材料所人以前所未有的气概正经历着一个气势恢宏的新征程，正所谓“平台起英才聚克难攻坚满五载，料打成材；雄心壮志气高开拓创新再十年，材铸为器”。在2010年初，我的团队整体转入了新能源技术研究所，戴宁所长命我为储能技术研究部门的召集人，希望在我团队的基础上，引进若干高级人才，筹建储能技术研究部门。我于是广发英雄帖，诚招天下英才。在诸多简历中，发掘了正在在国内外著名科研机构和公司从事锂电研究的黎军博士、王德宇博士、田爽高工、许晓雄博士、夏永高博士等。在经过学术交流、人才评审等程序之后，上述人员都获得了研究员、正高工和副研究员职位。黎军研究员和王德宇研究员已经在2010年底到岗，并开始组建其研究团队。黎军研究员主要从事储能材料的设计、计算和模拟研究工作，在美国硅谷的一家公司任职多年，该公司许多在研产品都是基于其理论计算而来的，可见在锂电领域，基础研究也一样是技术创新的源头。我相信黎军研究员的加入，将从材料和系统的基础理论角度，为我们储能技术领域做出重要贡献。王德宇研究员则携其在美国西太平洋国家实验室研究锂空气电池的基础，进一步开展我们已部署的前瞻性研究方向--锂空气电池。另外三位同志也即将在2011年初陆续到岗。许晓雄博士将与我一起开展全固态电池方面的研究工作，夏永高博士则全力协助我开展下一代动力锂电池的正极材料及其产业化技术研究，而田爽作为正高级工程师，在电池研发方面有着异常丰富经验和人脉关系，将全面涉入电池及电池系统的设计、制作、试验考核。田爽的加入，可以说从研发的后端解决了我们的后顾之忧。总而言之，这些重量级人才的加盟，迅速壮大了我所储能技术领域的研究力量，为争取快速发展的局面奠定了坚实的基础。

　　在我所十二五及中长期发展规划文本中，动力锂离子电池被确定为储能技术领域的重点发展方向，在2010年底，动力锂离子电池技术研究又被遴选为我所“7+2”重大研究计划优先启动的项目之一。近年来，动力锂离子电池受到人们的广泛关注，已广泛应用于电动工具和玩具领域，并已逐步进入电动汽车、再生能源发电和智能电网等领域，全球动力锂离子电池需求量随着应用领域的不断扩展而逐年增加。然而动力锂离子电池的安全性、成本以及一致性又成为其大规模应用的瓶颈。特别是电动汽车在有限的空间和重量的情况下，目前的锰酸锂电池和磷酸铁锂电池无法满足电动车的200公里以上的续驶里程，这促使科研工作者进一步探索新型的高能量密度锂离子电池正负极材料及相关的电池设计和制造技术。作为承接我所动力锂离子电池项目的研究团队，我们立志于开发高比能、高比功率的锂离子电池材料及其动力电池，降低动力锂离子电池的生产成本和使用成本，实现其在电汽车和规模储能技术的示范应用，为我国新能源汽车、再生能源发电以及智能电网的发展提供可靠的技术保障！