“碳”非凡人生 尋無限可能

祝傳海 申娜

2021年7月，一位年輕人離開了自己工作4年的地方，踏上了新的征程。從國家納米科學中心來到中國石油大學（華東）新能源學院，這個年輕人不只是回到了家鄉，也回到了科研夢開始的地方。

和中國石油大學（華東）新能源學院孔德斌教授對話，時常會被他謙遜溫和的態度和誠懇踏實的話語所吸引，在他身上，不難看出一位年輕科研工作者的風采和追求。

說到孔德斌的追求，他對碳功能材料的態度就是一個很好的縮影。他常常提醒自己，不僅要保持對科學研究的熱愛，還要對取得的研究結果進行嚴謹的論證，更要學會創新，敢于去探索不一樣的領域。

近年來，孔德斌一直圍繞電化學儲能中碳功能材料的科學問題開展研究，尤其針對硅等高容量非碳負極及其致密儲能應用深入探索，取得了一系列創新性成果，包括利用碳材料構建“強且韌”的骨架提升微米硅材料的性能，從多角度去研究其在鋰離子電池中的應用等。不斷開展的創新探索，打開了孔德斌卓爾不群的探索人生。

欣然“牽手”碳材料

“碳材料一直是儲能領域中極為重要的材料，運用好碳材料將會對動力電池的發展有至關重要的作用。”孔德斌對碳材料有很高的評價，他認為通過碳材料可以延伸到其他領域，探索更多的可能性。于是，與碳材料欣然“牽手”后，他圍繞其在動力電池、電化學儲能等領域的應用研究開啟了一段雖艱辛卻也快樂的旅程。

在孔德斌看來，天津大學是他的科研啟蒙殿堂。2007—2016年，他相繼在天津大學完成了化學相關專業的本科、碩士及博士的學習，其間，國家納米科學中心智林杰研究員和碳材料著名學者、天津大學楊全紅教授對他影響深遠。“兩位導師講課清晰生動，經常會先引起我們的興趣后再深入去講解專業知識。”用孔德斌的話來說，就是體會到了“學習和科研是件有趣的事”。這個階段，良好的教育培養了他的“科研嗅覺”和“科研味覺”，后來孔德斌在導師的引領與指導下，先后參與了多個重點項目研究。

2019年，在中國工程院院士陳立泉、導師楊全紅教授、中國科學院物理研究所李泓研究員的帶領下，孔德斌參與了中國工程院“工程科技發展戰略研究”重大項目“動力電池技術創新及產業發展戰略研究”。陳立泉院士是我國首位鋰電池材料領域的院士，可以說是中國鋰電領域第一個“吃螃蟹”的人，而楊全紅教授與李泓研究員又長期從事碳功能納米材料和新型儲能器件的研究，已經取得多項引領性的研究成果。都說“不到長城非好漢”，有了多位前輩的提攜，孔德斌離科研長城的頂點越來越近，也越走越穩。

科學是要用于服務的，孔德斌一直堅持這一觀點。他目前正在進行的硅碳材料開發項目是在溧陽天目先導電池材料科技有限公司的牽頭下，與天目湖先進儲能技術研究院有限公司和天津大學強強聯手，采用“產、學、研、用”的聯合攻關模式。他們將研究重點放在了如何開發用于高能量密度鋰離子電池中的高性能納米硅基負極材料這一關鍵問題上，就此展開了日復一日的刻苦鉆研。他們逐一攻關了單分散納米硅制備、硅碳復合結構設計、氧化亞硅原子級摻雜、硅基材料表面納米級均勻包覆等技術難題，最終成功開發出具有高容量、高首效、長循環、低膨脹的商業化硅基負極材料，首次庫倫效率和循環保持率等性能均達到了國際一流水平。

“做科研是開心、幸福的。”在項目研究過程中，孔德斌經常會與導師討論，每次思維碰撞過后，導師的一些觀點總能啟發他產生新想法，這讓他感受到了科研的新鮮感和成就感。據孔德斌介紹，研究生期間，導師總會把學生“拉練”到科研一線，鼓勵他們去發現問題，解決問題，不斷思考，大膽創新。在這樣的反復鍛煉中，孔德斌在博士期間獲得了2017年碳雜志獎（CarbonJournal?Prize）杰出論文獎，這一獎項每年全球范圍內只評選4人，這正是他多思多想多創新的結果。而這樣的習慣，孔德斌也一直保持到現在。

做既有趣又有用的研究

2016年博士畢業后，孔德斌來到國家納米科學中心中國科學院納米系統與多級次制造重點實驗室工作。他坦言，這一階段不僅是學術水平提升的重要過程，也是從學生到老師身份轉變的過程。“來到國家納米科學中心，我不僅能在學術上獲得更好的資源幫助，還能在思想和研究方法上取得更多的感悟。”

孔德斌最大的感悟就是要做既有趣又有用的研究。在這一點上，早在研究生時期，他就深有體會。孔德斌介紹，在傳統的石墨烯組裝過程中，通常都是對水凝膠進行凍干處理保存原貌，但在一次做石墨烯組裝實驗時，當時課題組的師姐陰差陽錯忘記這一步，而是將水凝膠自然晾干，等意識到這一點時發現石墨烯已經有明顯的縮小現象，形成了一個致密多孔的碳材料，也因此發明了毛細收縮的致密化策略。也正是這次意外收獲讓孔德斌意識到，做科研尤其要對以往不常見、與預期不相符的現象進行重點觀察。“要善于發現不同尋常的一面，有時就會得到意想不到的、有趣的結果。”?孔德斌笑談道。

就這樣，期待發現“不同”的孔德斌，研究課題并沒有選擇新能源領域里常用的納米硅材料，而是另辟蹊徑，致力于開發與其具有同樣高質量理論比容量，但卻比納米硅成本更低、振實密度更高的微米硅這一非碳負極材料。

同時為了響應國家“加快能源技術創新，建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系”這一重要發展戰略，孔德斌希望能將碳材料引入微米硅中，構筑一種“既強且韌”的微米硅碳負極，提高其循環性能，并將這種改造升級后的微米硅材料引入新能源領域。“這也是契合‘2030實現碳達峰、2060實現碳中和目標的一個重要發展方向。”提起這一設想，孔德斌興奮不已。

目前，基于這一想法，孔德斌正著手準備開展國家自然科學基金面上項目“面向致密儲能的快充微米硅碳負極構建及其電荷傳輸行為研究”。他表示，當前阻礙微米硅走向實際應用的關鍵之一，是如何在致密體系下針對更大尺寸的微米硅構建電子、離子傳輸網絡。對此，孔德斌計劃要將重點放在實用層面，從基元結構-復合界面-電極輸運等多尺度出發，在精確設計碳緩沖結構的基礎上，使致密材料和電極能在受限空間內進行電子與離子之間快速輸運，從而制備出高倍率高致密的微米硅碳負極。

此前，在智林杰研究員和楊全紅教授的帶領下，孔德斌在“致密儲能”研究領域也有創新成果。他不僅對碳基納米電纜的結構進行“翻新”，制備出長壽命的微米硅/碳負極材料;還提出既可流動又可變形的硫模板，對非碳活性顆粒（硅等）膨脹空間進行了精準預制，平衡了材料的密度和孔隙，從而實現了超高體積的比容量。此外，他還提出一種“邊”與“面”相接觸的新模式，大大提高了電荷在短程傳輸過程中的效率，倍率性能也得到大幅提升。

遇到一個好問題很難，但要解決這個問題更不容易。在之前學術成果的基礎上再次致力創新，為推動微米硅走上實用化與產業化不斷努力，孔德斌的學術研究也因此走上了“快車道”。

千難萬險只為破解硅之謎

想要構建具備高體積能量密度的鋰離子電池負極，強韌微米硅/碳材料是不可多得的“寶貝”。圍繞這一材料，孔德斌啟動了相關項目，并計劃開展諸多創新探索。他有一個習慣，時常進行頭腦風暴，不斷在腦海中進行著有關微米硅負極的基礎性問題與應用之間的“遐想”，一旦迸出點想法，便迫不及待地與團隊共同探討。“打造微米硅的應用化道路，破解其中的奧秘”成了他們新的科研目標。

據孔德斌介紹，構建強且韌的微米硅/碳負極是項目研究的終極目標，但以當前情況來看，在致密體系下，電解液有限浸潤“液相”和大尺寸硅碳“固相”都會導致電子與離子在快速輸運時嚴重受阻，同時這也正是阻礙微米硅踏上實用化道路的主要瓶頸。

針對這一難點，孔德斌已經想好了對策，由于在充放電過程中，硅碳接觸界面之間是動態的，因此孔德斌提出了構建“納米彈簧”橋連的自適應動態界面，可以實現在其接觸界面間構建連續的導電通路;此外他還設想可以通過提前植入固相離子傳輸通道，實現電子和離子在致密材料和電極受限空間內的快速輸運，這樣一來就有望解決高致密電極中的離子輸運難題;與此同時，孔德斌計劃將前幾項研究成果進一步推向實用化道路。“通過項目，無論是理論還是技術方面，高容量微米硅負極的基礎研究和產業化應用都會有巨大的改變，而且在電動汽車等領域里也會有巨大的實用價值和應用前景。”孔德斌對此很是堅定。

在孔德斌心中，研究微米硅材料，一定不能閉門造車，而是要注重多領域多學科之間的交叉合作，使其最終實現實際應用，他深知這需要科研人員投入更多的主動性，還需要更多關鍵技術的創新突破。

也因此，孔德斌在培養學生時，都會讓他們多思考，形成自己的獨立思想后，再去做研究，而不是被其他人左右。在學習中研究、在研究中學習，孔德斌常常先引領學生入門，再培養他們的信心，腳踏實地地做好研究本身。他提到，做科研，踏實嚴謹的態度、大膽求問的精神、善于創新的思維缺一不可，這樣才能心無旁騖，做純粹的科研。

2021年7月，孔德斌離開國家納米科學中心，到中國石油大學（華東）新能源學院任特任教授，并獲得中國石油大學（華東）“光華學者”的榮譽。在新征程的路上，孔德斌知道科研之路不乏困難，前方還有許多尚未解決的難題，但他不會放棄，哪怕花上數年、數十年，他都會為此努力，一往無前。

（責編：張聞）