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独坐16年冷板凳、发表80篇SCI,他决定向离子液体研究再进发!
作者:新材料在线 /2020-07-18 00:00:00 / 浏览次:12
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新材料在线 ID:xincailiaozaixian

图片:受访人提供、图虫创意

 

马斯克将在9月15日特斯拉“电池日”发布哪些消息,或许是近半年来电动汽车、动力电池业内人士最关注的话题之一。

 

不少业内人士猜想,特斯拉是以高镍电池为技术路线,通过收购Maxwell的干电极技术和SiILion公司提出的离子液体+高镍NCM的高能电池技术,以改善电解液添加剂作为技术手段。

 

电解液被喻为锂离子电池的“血液”,承担着充放电过程离子的运输,是电池获得高电压、高比能等优点的保证近年来,新能源汽车正站在风口,因此研究更高功率、长寿命、高安全性和低成本的动力电池体系,成为了抢占动力电池制高点的关键因素之一。

 

如今,现有材料体系的锂离子电池的能量密度已经基本达到瓶颈,若想进一步提升,除了需要采用高电压正极和高容量负极外,必须突破高电压电解液技术,尤其是开发可耐5V及以上高压的电解液。

 

但目前所使用的的常规碳酸脂类电解液电化学窗口较窄,难以满足新型动力电池的要求。而离子液体的电化学窗口宽、稳定性好,用作电解液具有难挥发、不燃烧的优势,在保障电池安全性、储能方面具有诱人的前景。

 

△湖南大学材料与工程学院教授张世国

 

作为离子液体的探索者,湖南大学材料科学与工程学院教授、博士生导师张世国已深入离子液体领域钻研16年,在国际权威期刊上发表SCI论文80多篇,带领团队在离子液体功能材料领域取得了系列进展。

 

01

独坐16年冷板凳

 

外界在惊叹科研者的成就时,往往容易忽略其背后超越常人的付出与努力。

 

据了解,张世国的研究方向包括离子液体功能材料与电解液、碳材料、锂硫电池等新能源材料。而他与离子液体结缘,还要从2004年说起。

 

大学期间是补缺补差的最好时机,即将奔赴不同的人生赛道,莘莘学子的心智逐渐成熟。当周围的同学还在纠结就业问题时,喜欢钻研、奇思妙想的张世国早已明确要走科学研究的道路,并下定决心准备考研。

 

2004年,张世国以总分前三的成绩考入中国科学院兰州化学物理研究所。恰巧,他的导师正是国内最早一批研究离子液体的专家——邓友全研究员。张世国与离子液体的故事,或许正是从第一次在研究所见到邓友全研究员时开始。

 

△张世国在中科院兰州化学物理研究所

 

科学研究是枯燥的,要坐得住冷板凳,耐得住寂寞。在邓友全研究员的指引下,张世国对离子液体的结构、材料特性有了更深的认识。而他在中科院兰州化学物理研究所的研究时光,转眼就过去了7个春夏秋冬。

 

2011年从中科院兰州化学物理研究所博士毕业后,张世国带着对离子液体的满腔热情,决定向更深的研究方向出发。2012年初,他前往日本横滨国立大学攻读博士后,而他的导师渡边正义教授,是世界离子液体和电解液领域的著名科学家。

 

那时,张世国发现新能源是缓解世界能源压力、实现生态绿色可持续发展的途径之一。在恩师的指导下,他带着对未知世界和新事物的好奇心,一头扎进了新能源材料研究。

 

△张世国在日本

 

漫漫科研路,绝不会一蹴而就,远游在外的科研者还要排解思乡之情。“在科研进展不太顺利的时候,我会比较想念祖国和家人,特别是我的孩子。”提及自己的孩子,张世国的眼神中多了几分愧疚。

 

但对家人和祖国的牵挂,也成为了他在国外开展科学研究的最大动力。思绪片刻游离后,这位坚强的男子汉,很快就能调整好自己的心态,再次投入到科学研究之中。

 

凭借超乎常人的毅力,张世国在国际权威期刊上发表SCI论文80多篇,多篇被选为期刊封面、热点论文或高被引论文,荣获2017年离子液体与绿色过程“青年创新奖”,先后主持国家海外高层次青年人才计划项目、国家自然科学基金面上项目等多项省部级项目。

 

正是张世国等科研者不畏艰苦地耕耘,我国的离子液体才没有因输在起跑线而一蹶不振。

 

其实,离子液体的历史可以追溯至1914年,而我国第一项离子液体专利出现在1986年。虽然我国在离子液体研究领域起步晚,但在各研究院所和高校研究团队的推动下,如今我国离子液体的专利总数达14630件,在离子液体科学研究方面已基本与国外并驾齐驱。

 

△张世国在离子液体研究中获奖合影

 

“包括中国在内的各个国家在离子液体方面的研究,目前主要集中在以下两个方面:首先仍然是对离子液体这个特殊材料的深入理解和认识,其次是拓展离子液体作为新型功能材料在新兴领域中的应用。”张世国向《大国之材》介绍道。

 

02

高成本是产业化桎梏

 

如今,离子液体的基础研究和产业化进程正在提速。

 

由于离子液体的阴阳离子体积较大、结构不规则、正负电荷的离域程度高,难以形成紧密有序的离子晶格堆积,所以离子液体在室温或接近室温时呈液态。正是这些独特的结构,使离子液体具有宽液程、极低挥发性、宽的电化学窗口等独特性质。

 

基于这些独特的性质,离子液体也被称为21世纪十大潜在新材料之一

 

“通过改变阴、阳离子的不同组合,或者对阴阳离子进行结构改造,可以设计合成各种各样甚至按需求定制的离子液体,因此离子液体也称为设计者溶剂。”张世国介绍道。

 

据了解,离子液体最早是用于有机反应,随着材料基础研究逐渐深入,离子液体的种类和应用领域不断拓展。近年来,离子液体已经作为绿色溶剂、新型介质、功能流体和软材料,被广泛应用于石油产品、润滑材料、太阳能工业、电池材料等领域。

 

据Graphical Research预测,2024年离子液体的全球需求将达到6.5万吨,市场规模达到25亿美元。目前,全国离子液体相关概念公司有1500余家,但市场仍由少数公司控制。

 

其中,美国和德国控制着全球70%的市场份额,但大部分企业都是自产自用,只有BASF等少数公司有部分离子液体静电剂等产品在市场销售。

 

国内如浙江蓝德、林州科能、惠州艾利荣等企业,已经在离子液体领域推动相应的产品落地。而成立于2010年的林州科能,已经拥有1000 t/a的离子液体生产线,其产品主要应用于催化、吸收用离子液体以及部分离子液体电解液。

 

近年来,在新能源汽车风口的推动下,离子液体用作锂离子电池电解液被寄予厚望,但是如今离子液体的产业化进程依旧缓慢。由于其制备和纯化过程相对繁琐,离子液体材料的高成本,成为了其市场推广的绊脚石。

 

“一是开发更简单更易大规模生产的流程;二是促进离子液体的循环使用;三是开发基于离子液体的高附加值的产品或材料。”张世国认为从降本增效的角度出发,或许可以从不同的途径降低材料生产成本或提高材料价值。

 

03

产学研加速奔跑

 

“我们常说科研不仅要上书架,还要上货架。要想加快离子液体材料的推广应用,还需要促进科研院所和企业的合作。”

 

对于新技术、新材料而言,只有产学研充分融合,才能推动市场快速前进。“首先,科研机构和团队要主动出击,了解当前企业和市场的需求,以及离子液体在实际推广应用中存在的问题,才能有针对性地促进技术应用的落地。”

 

同时,企业也要积极与科研院所对接,将实际推广难题及时反馈至研发端口。其中,成立于2009年的浙江蓝德,就依托中国科学院兰州化学物理研究所、浙江工业大学等名所名校的科研创新团队和成果,围绕离子液体材料制备离子液体催化剂、离子液体电解液功能添加剂。

 

如今,离子液体正急速渗透至汽车、航天航空、军工等领域,但不容忽视的是,离子液体还存在诸多的技术难题亟需攻克。以电池电解液应用为例,离子液体电解液和电极材料还存在相容性问题,其粘度偏高、倍率性能较差。

 

因此,纯粹的离子液体组成的电解液还难以直接应用,而离子液体和传统有机电解液的复合材料,或许是短期内的重要研究方向。长期来看,还需要对离子液体的结构进行更加深入的研究,合成具有更低粘度、更低成本以及正负极相容性更好的离子液体。

 

迈向更深层次的材料探索,离不开科研者的辛勤开荒。

 

谈起未来,张世国的心里已经有明确的计划。他认为离子液体这种特殊的功能材料,在领域的应用潜能还未得到充分发掘,因此他将在离子液体功能材料领域,具体包括聚离子液体、离子凝胶以及离子液体电解液等研究方向继续深耕。

 

“我希望和各位同仁在离子液体这个细分领域,尽自己最大努力把它做到最好、最强。当每位科研工作者、每一个企业把自己份内的事情做好,就会由点及面,推动国家发展和社会进步。

 

【个人介绍】

 

张世国,湖南大学材料科学与工程学院教授、博导,2011年博士毕业于中国科学院兰州化学物理研究所(硕博连读),2012-2016年在日本横浜国立大学从事为期四年半的博士后研究,2016年10月起,全职回国并被聘为湖南大学材料科学与工程学院教授(岳麓学者),2017年入选国家海外高层次青年人才,2018年获得湖南省杰出青年基金支持。主要研究方向为面向清洁能源的功能离子液体和碳材料研究,具体包括离子液体功能材料与电解液、碳材料、电催化和锂硫电池等新能源材料。

 

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THE END

 

 


 

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