麥立強(qiáng)：納米新能源創(chuàng)新，應(yīng)深入挖掘原創(chuàng)成果

劉榮+孫繼文

麥立強(qiáng)，武漢理工大學(xué)材料學(xué)科首席教授、材料科學(xué)與工程試點(diǎn)學(xué)院執(zhí)行院長，國家杰出青年基金獲得者、科技部“中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”，入選“國家百千萬人才工程”。長期從事納米能源材料與器件研究，設(shè)計(jì)組裝了國際上第一個(gè)單根納米線全固態(tài)電化學(xué)儲(chǔ)能器件，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果。已發(fā)表SCI論文140余篇，以第一或通訊作者發(fā)表影響因子9以上論文43篇。14篇入選近十年ESI前1%高被引論文，應(yīng)Chem. Rev.邀請發(fā)表專題綜述并入選ESI全球TOP0.1%熱點(diǎn)論文。獲發(fā)明專利36項(xiàng)。主持國家重大科技研究計(jì)劃課題、國家國際科技合作專項(xiàng)等項(xiàng)目20余項(xiàng)，獲湖北省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（排名第一）、科學(xué)中國人（2014）年度人物、湖北青年五四獎(jiǎng)?wù)碌葮s譽(yù)稱號(hào)。

2010年9月，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授成功設(shè)計(jì)組裝出國際上第一個(gè)單根納米線全固態(tài)電化學(xué)儲(chǔ)能器件，不僅《自然》亞洲材料網(wǎng)站和德國Nanowerk網(wǎng)站對此進(jìn)行了專題報(bào)道，鋰離子電池先驅(qū)M.S.Whittingham教授、斯坦福大學(xué)Y.Cui教授等世界一流學(xué)者也對此給予肯定和關(guān)注。

麥立強(qiáng)因此被譽(yù)為納米新能源領(lǐng)域新秀，并因此逐漸走進(jìn)國際視野。作為目前我國納米能源材料與器件研究領(lǐng)域的代表人物之一，近期，麥立強(qiáng)接受了本刊專訪，對當(dāng)前納米新能源研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)，以及未來發(fā)展前景等大眾關(guān)注的問題進(jìn)行了一一解答。

記者：在納米能源材料領(lǐng)域，您都進(jìn)行了哪些研究？產(chǎn)生了怎樣的意義？

麥立強(qiáng)：我長期從事新能源納米材料與器件的研究，目前為止在以下領(lǐng)域略有所成：

設(shè)計(jì)組裝了國際上第一個(gè)單根納米線全固態(tài)電化學(xué)儲(chǔ)能器件，通過原位表征建立了納米線的電輸運(yùn)、結(jié)構(gòu)與電極充放電狀態(tài)的直接聯(lián)系，揭示了長期制約電池發(fā)展的容量衰減機(jī)制。

率先提出通過二次水熱預(yù)鋰化和電沉積預(yù)鈉化等改善離子擴(kuò)散和電輸運(yùn)性能的策略，系統(tǒng)地研究了在層狀材料層間預(yù)嵌入不同尺寸堿金屬離子對其電化學(xué)性能的影響，極大地提高了儲(chǔ)能器件循環(huán)壽命。

建立了分級(jí)異質(zhì)、超長分級(jí)、分級(jí)介孔等復(fù)雜納米線結(jié)構(gòu)構(gòu)筑方法，提出了石墨烯半中空卷導(dǎo)電緩沖結(jié)構(gòu)等同時(shí)提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電輸運(yùn)性能的策略，大幅改善了儲(chǔ)能器件的循環(huán)壽命、能量密度和功率密度，突破了高性能納米線電池電極材料的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，有效推動(dòng)了世界范圍內(nèi)，納米儲(chǔ)能材料與器件的發(fā)展及應(yīng)用。

記者：您剛提到的單根納米線電化學(xué)器件，在業(yè)界引起了強(qiáng)烈反響。它的研究經(jīng)歷是怎樣的？

麥立強(qiáng)：2008年6月，我以高級(jí)研究學(xué)者身份應(yīng)邀赴哈佛大學(xué)跟隨納米科技奠基人、美國科學(xué)院院士Charles M.Lieber教授開展研究工作。在這期間，針對電化學(xué)能源領(lǐng)域容量衰減快的問題，我率先提出了設(shè)計(jì)組裝單根納米線電化學(xué)器件原位研究容量衰減機(jī)制的想法。

這一想法得到了Charles M. Lieber院士的肯定和贊賞。于是，為了制得好的納米器件，我突破既定研究模式，花了一年多時(shí)間，與合作者一起進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證和推敲，實(shí)現(xiàn)了在電化學(xué)過程中對電池材料的原位檢測，還避免了電池中其他組分，如導(dǎo)電添加劑、粘結(jié)劑等對觀測結(jié)果的影響。最終證明了電導(dǎo)率降低、結(jié)構(gòu)劣化是造成電化學(xué)儲(chǔ)能材料容量衰減的本質(zhì)原因。

記者：單根納米線電化學(xué)器件是一個(gè)怎樣的成果？它的成功對納米能源材料研究產(chǎn)生了怎樣的影響？

麥立強(qiáng)：這種微納米儲(chǔ)能器件，是一種可同時(shí)用于原位檢測和微納系統(tǒng)支撐電源的單根納米線全固態(tài)電化學(xué)檢測平臺(tái)，它為原位檢測儲(chǔ)能材料電化學(xué)過程提供一種新的策略，具有通用性，可廣泛應(yīng)用于各類電極材料的電化學(xué)過程原位檢測，為解決儲(chǔ)能材料容量衰減快等問題奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

另外，它還可以為組裝集成化微納自驅(qū)動(dòng)器件和系統(tǒng)提供儲(chǔ)能元件，能夠極大地促進(jìn)微納自驅(qū)動(dòng)器件的發(fā)展。

人類生存發(fā)展離不開能源，但能源短缺和環(huán)境污染也成為當(dāng)今人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

近年來，隨著相關(guān)研究的不斷深入，納米技術(shù)在提高能源利用率、節(jié)能環(huán)保、新能源開發(fā)，特別是再生能源利用中的作用逐漸顯現(xiàn)出來。利用納米材料與納米效應(yīng)構(gòu)筑能源納米儲(chǔ)能器件，已經(jīng)成為一個(gè)新的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

業(yè)內(nèi)人士表示，納米能源材料與器件領(lǐng)域的研究，不僅能夠帶來科學(xué)上的創(chuàng)新，同時(shí)也對國家能源安全和節(jié)能減排有著極為重要的意義。

記者：納米能源材料是當(dāng)前比較熱門的領(lǐng)域。在您看來，該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢是怎樣的？面臨哪些挑戰(zhàn)？

麥立強(qiáng)：我認(rèn)為，儲(chǔ)能器件的發(fā)展趨勢大致分為兩個(gè)方面，一是大規(guī)模的儲(chǔ)能器件，例如對太陽能與風(fēng)能的存儲(chǔ)；二是微納儲(chǔ)能器件，柔性化或集成自驅(qū)動(dòng)微納米儲(chǔ)能器件等。

高性能的儲(chǔ)能器件是新能源汽車、大規(guī)模儲(chǔ)能、微納器件等發(fā)展的關(guān)鍵，而高能量密度、高功率密度的儲(chǔ)能材料又是構(gòu)筑高性能儲(chǔ)能器件的基礎(chǔ)。目前，容量衰減快與高能量密度/高功率密度難以兼顧的問題是高性能儲(chǔ)能器件發(fā)展面臨的主要問題。通俗地說，就是電極材料無法滿足人們越來越高的需求。

記者：我國納米新能源研究目前取得了哪些進(jìn)展？面臨的最大挑戰(zhàn)是什么？您認(rèn)為應(yīng)該如何突破？

麥立強(qiáng)：我國納米新能源研究正在蓬勃發(fā)展，涌現(xiàn)了一批國際知名科學(xué)家，在多個(gè)國際著名期刊上發(fā)表了很多高水平論文，納米新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也非常迅速。釩系納米線動(dòng)力電池材料、硅納米線電極材料及石墨烯電極材料等在規(guī)模化制備方面取得關(guān)鍵性進(jìn)展，有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

但相較于國際先進(jìn)水平，我國原創(chuàng)性成果不夠深入，科研成果產(chǎn)業(yè)化不足，仍然是最大的劣勢。而最大的挑戰(zhàn)在于各類納米新能源器件的性能優(yōu)化機(jī)制和衰減機(jī)制不明確，缺乏原位表征和本質(zhì)、普適性的規(guī)律，還缺乏關(guān)于納米材料放量生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)。

針對這些問題，我認(rèn)為需要加強(qiáng)對本征規(guī)律的探究，例如在鋰離子電池領(lǐng)域，對離子、電輸運(yùn)、納米結(jié)構(gòu)變化的實(shí)時(shí)觀察與檢測，是提高電極材料性能的重點(diǎn)。但實(shí)現(xiàn)起來非常困難，所以這方面的研究應(yīng)該受到更大的關(guān)注。獲得本征規(guī)律后，進(jìn)而要對納米儲(chǔ)能材料進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而獲得高性能、高穩(wěn)定性的納米新能源材料，這是研發(fā)高性能納米新能源器件的基礎(chǔ)。endprint

此外，還需要對納米材料進(jìn)行放量生產(chǎn)，探究實(shí)驗(yàn)室水平與工業(yè)化生產(chǎn)水平之間的差異，緊追國際高水平能源器件的步伐，才能使我國納米新能源產(chǎn)業(yè)始終保持領(lǐng)先水平。

我們實(shí)驗(yàn)室對釩系納米線動(dòng)力電池的放量生產(chǎn)進(jìn)行了深入探索，建立了產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地，成功建成電極材料中試線和電池生產(chǎn)線，組裝了18650電池與電池組。電池批次穩(wěn)定性能好、加工性能優(yōu)異，已經(jīng)進(jìn)行了裝車測試，并取得了良好的進(jìn)展。

2009年，在麥立強(qiáng)的積極推動(dòng)和中美雙方相互協(xié)商下，武漢理工大學(xué)—哈佛大學(xué)納米聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式成立。哈佛大學(xué)Lieber院士擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任，麥立強(qiáng)為執(zhí)行主任。

實(shí)驗(yàn)室成立以來，致力于納米能源材料與器件的研究，包括新能源材料、微納器件、面向能源的生物微納電子界面等前沿方向，重點(diǎn)開展了納米電極材料可控生長、性能調(diào)控、器件組裝、原位表征、電輸運(yùn)與儲(chǔ)能等系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究，取得了一系列國際認(rèn)可的創(chuàng)新成果。

記者：您剛才提到了實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)初成立實(shí)驗(yàn)室是出于怎樣的考慮？

麥立強(qiáng)：主要是希望能在新型納米材料、生物納電子界面、新穎高性能納電子—細(xì)胞原料電池等研究領(lǐng)域取得重要突破，推動(dòng)中美納米科技領(lǐng)域的合作研究與發(fā)展，為我國培養(yǎng)一批納米科學(xué)技術(shù)、納米生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和新能源材料技術(shù)領(lǐng)域的高水平優(yōu)秀人才。

記者：成立至今，實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展情況如何？近年來取得了哪些成績？接下來又會(huì)有哪些發(fā)展規(guī)劃？

麥立強(qiáng)：目前，在實(shí)驗(yàn)室主任Lieber院士的領(lǐng)導(dǎo)和各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的幫助下，我們實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有教師8名，其中“青年千人計(jì)劃”入選者和“楚天學(xué)子”各一人。目前為止已指導(dǎo)研究生（碩士與博士）60余名，其中留學(xué)生3名，已畢業(yè)碩士19名、博士4名，推薦10余人前往哈佛、牛津等世界知名高校深造。

我們還有化學(xué)氣相沉積CVD（Si/Ge Nanowire Growth System）、熱蒸發(fā)儀、光刻機(jī)、電子束光刻機(jī)、半導(dǎo)體測試儀、低溫真空探針臺(tái)、手套箱、二維面探測X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡等設(shè)備，能很好地支撐納米材料的合成與表征及器件研制與測試。

至今，實(shí)驗(yàn)室發(fā)表SCI論文70余篇，獲國家發(fā)明專利28項(xiàng)，承擔(dān)國家杰出青年科學(xué)基金、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃課題等項(xiàng)目20余項(xiàng)，成功舉辦第十屆中美華人納米論壇，第一屆中法先進(jìn)材料研討會(huì)等重要會(huì)議，也將于2016年6月與Nature、Nature Materials、Nature Energy共同舉辦《自然》能源材料國際研討會(huì)。

未來，我們將繼續(xù)建設(shè)結(jié)構(gòu)合理、跨學(xué)科的一流研究團(tuán)隊(duì)，進(jìn)一步探索納米儲(chǔ)能體系能量運(yùn)輸與儲(chǔ)存理論，構(gòu)筑納米自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納米尺度上的產(chǎn)能儲(chǔ)能一體化，積極促進(jìn)納米線電極材料的放量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)納米線電極材料與動(dòng)力電池的批量制造。

記者：方便透露您目前在研項(xiàng)目的進(jìn)展和預(yù)期目標(biāo)，以及未來計(jì)劃嗎？

麥立強(qiáng)：目前我主要承擔(dān)國家杰出青年科學(xué)基金、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃課題等項(xiàng)目研究，進(jìn)展比較順利。這些項(xiàng)目瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，例如國家杰出青年基金項(xiàng)目，目標(biāo)是要利用微納儲(chǔ)能器件探究復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米線的儲(chǔ)能機(jī)制，實(shí)現(xiàn)單體系/多體系納米線儲(chǔ)能器件的集成于納米線自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外，我們還開展了介孔材料在能源存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用研究。

未來，我將結(jié)合儲(chǔ)能材料研究領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)，將納米結(jié)構(gòu)效應(yīng)與納米器件技術(shù)引入儲(chǔ)能材料研究中，為儲(chǔ)能材料開辟新的研究領(lǐng)域，并對納米材料的可控合成與生長機(jī)理、納米材料的結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控、納米自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原型器件等進(jìn)行深入探索。

記者：您如何看待納米新能源未來的發(fā)展?jié)摿Γ咳绾巫龅絼?chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展？

麥立強(qiáng)：近年來，納米產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。至2020年，全球納米產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值有望達(dá)到3萬億美元，而納米新能源是其中的重要組成部分，由此足以看出其發(fā)展前景。納米新能源是新能源的重要發(fā)展方向，同時(shí)也存在很多問題亟需解決。因此，納米新能源領(lǐng)域在未來將會(huì)繼續(xù)成為科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)上的熱點(diǎn)，受到大家的廣泛關(guān)注。

習(xí)近平總書記說，科技成果只有同國家需要、人民需求、市場需求相結(jié)合，完成從科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)開發(fā)、推廣應(yīng)用的三級(jí)跳，才能真正實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新價(jià)值，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展。

因此，我認(rèn)為納米新能源領(lǐng)域的創(chuàng)新，首先要注重原創(chuàng)性成果的深入挖掘，應(yīng)引導(dǎo)科研人員對研究課題進(jìn)行獨(dú)創(chuàng)性、系統(tǒng)性研究，利用自身優(yōu)勢開創(chuàng)新領(lǐng)域，為世界自然科學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

其次，要注重產(chǎn)業(yè)開發(fā)。眾所周知，實(shí)驗(yàn)室取得的成果在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)會(huì)遇到不少問題。因此，科研人員需要以解決這些問題為己任，用自己的知識(shí)實(shí)現(xiàn)真正的創(chuàng)新價(jià)值，為國家創(chuàng)造科學(xué)技術(shù)競爭力，驅(qū)動(dòng)國家發(fā)展。

最后，要積極吸引、推動(dòng)有決心的企業(yè)共同開發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)，共同驅(qū)動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，造福民眾。endprint