“鋰”爭尺寸 向心向行

劉玉杰

如果要概括慈立杰的性格，最貼切的詞就是“行動力強”。從埋首傳統金屬材料，到探秘新型材料，再到涉足發展前景廣闊的鋰電池及新型儲能器件研究，無懼“從頭再來”幾乎成了他的代名詞。行走于科研與產業之間，慈立杰總能從日常工作中找到閃光點。難能可貴的是，他從不滿足于“看見”。習慣于說做就做的他，總能由點及面，以扎實探索、反復驗證的力量開拓全新的研究場景。在他看來，興趣或許是一切研究的開端，而當置身相關領域之中，便催生了責任和使命。在能源短缺和環境污染已成為世界范圍內巨大挑戰的當下，面對能源結構調整、產業結構升級、綠色發展體系構建等我國亟待解決的重大議題，慈立杰要做的，就是著力開發新型鋰電材料，打造高安全、高比能的新一代鋰離子電池，為推動高效能量轉化與存儲產業領域發展貢獻自己的力量。

人生的路口

——命運偏愛勇者

1990年，自詡“不是很聰明”的慈立杰，成了山東工業大學（現山東大學）的大一新生。與預想的大學生活相去甚遠，進入鑄造專業的慈立杰，開始做起了父母口中“工廠里最臟最累的活兒”，翻砂、鋼水、澆鑄、模型……成了慈立杰學習生活中的主旋律。熔爐熾熱、青春滾燙，打磨掉最初的毛躁和不滿，“上承礦、下啟材”的鑄造專業，也給予了這個埋頭苦學的年輕人豐厚的饋贈——在這里，慈立杰不僅掌握了扎實的金屬材料相關知識，更是從中窺得了前行的路徑。“當時也很懵懂，就覺得無論做什么都需要材料。”抱著這樣樸素的想法，慈立杰學習不輟，哈爾濱工業大學、清華大學都留下了他孜孜以求、探索材料世界的身影。

由傳統鑄造到新型金屬復合材料研究，慈立杰在碩士階段即參與了不少橫向應用開發項目，并獲得了不錯的成績。正當他以為自己要沿著這條路繼續走下去的時候，新的機遇出現了。待到博士階段，富勒烯（C60）作為一種新型材料“橫空出世”，其可能帶來的行業變革和新的應用前景立刻吸引了慈立杰的注意。這種新型碳材料具有怎樣的應用前景？如何將其功用最大化？抱著關于新材料的諸多猜想，慈立杰從工程應用批量制備的角度出發，在導師吳德海教授的帶領下，他“辭舊迎新”，就此開始了新型碳材料的合成及應用的相關研究。

悠長的學習時光帶給慈立杰的除了“動心忍性”的磨礪，更有對于研究成果實用性的執著。在慈立杰看來，“實現批量生產”是一切材料投入應用的基礎條件，研究產業化的合成手段就成為他探索新材料世界的重要著力點。以此為開端，慈立杰先后提出“浮動催化化學氣相沉積法連續制取碳納米管”“立式浮動催化化學氣相沉積法大批量制備單層碳納米管”等新型合成手段，基于對“落地”的不懈追求，也讓他的研究成果呈現出極強的實用性——經過多年發展，當初慈立杰提出的合成方案早已實現產業化，相關研究方向也吸引一代代后來人繼續前行。

“我學得越多，就感覺懂的越少。”龐大瑰麗的材料世界吸引著慈立杰不斷探尋，他也急切地希望能夠“走出去看看”，以不斷拓寬自己的認知邊界。在結束中國科學院物理所的博士后研究后，慈立杰立即著手申請留學，法國中央理工學院、德國馬克斯-普朗克金屬所、美國仁爾斯勒理工學院，先后成了他觸摸新型碳材料相關研究的前沿陣地。如今想來，“那時不是一個穩定的狀態，就是到處漂。還帶著家庭、孩子一起漂”，然而探索新知、得見世界的興奮讓慈立杰扛過了這些辛苦。功不唐捐，這段“漂泊歲月”，讓慈立杰的科研方法不斷精進、科研作風持續提升，回憶當年，他笑稱“覺得自己是有長進的”。在仁爾斯勒理工學院從事科研工作期間，慈立杰更是收獲了驚喜的“意外發現”：在一次常規的碳納米管陣列生長過程中，慈立杰發現了一種特別黑的材料。“黑到什么程度呢？我們用拉曼光譜激光光斑檢測這種材料時，激光光斑竟然會直接消失，這意味著就連高亮度的激光也無法得到反射。”經過測算，這種材料幾乎比美國國家標準與技術研究院用作當前黑色基準的碳物質黑了近30倍，它接近于科學家夢寐以求的理想黑色，幾乎能吸收所有的光，而且還不反射光。抱著好奇的想法，慈立杰查閱了相關資料，發現“這個材料的各項指標都是最黑的”。“大家開玩笑說，既然這么黑，那我們也得申請一個吉尼斯世界紀錄去！”慈立杰笑著回憶道，“沒想到這個紀錄還真的申請下來了，這種材料也就被樸實地命名為‘最黑人造材料’。”除此之外，慈立杰還在碳納米材料的其他應用方向進行了積極探索，如柔性儲能器件、“人造壁虎腳”、高強碳納米管纖維、高能量吸收的碳納米復合材料等。國外自由的學術氣氛充分釋放了慈立杰活躍的科研天性，他將其描述為“那時候是學術成果很豐盛的一段時光”。

學有所成，慈立杰終于結束了“學漂”生涯，以研究科學家的身份進入美國萊斯大學，他的生活似乎終于進入了一種穩定的狀態。然而對“做有用科研”的堅持讓慈立杰產生了新的思考，所謂“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，徜徉科研領域多年的慈立杰決心去產業界親眼看一看。就此，他毅然決然地結束了來之不易的平順生活狀態，成了三星美國圣何塞研究中心的首席科學家。

入職企業，慈立杰最直觀的感受，就是得以觸碰行業發展最前端的需求——“從高校轉到企業的一個最大的轉變，實際上就是做高科技產業應用的事情。”基于新型碳材料，特別是碳納米管及石墨烯的廣泛應用前景，慈立杰就勢展開了以新型碳材料為主的復合材料在光電領域及儲能領域的應用研究，以鋰離子電池為代表的能量轉化與存儲領域也自此向慈立杰敞開了大門。

在慈立杰看來，做材料基礎研究的意義，就是盡可能提升所研材料的各種性能，同時為其找到更好的應用場景。傳統的化石能源總有用盡的一天，清潔、高效、低價的替代性能源成為世界各國投入大量研究經費的科研熱點。其中，研究較為成熟的鋰電池無疑是一種較為理想的新能源解決方案，而讓慈立杰興奮的是，自己鉆研多年、熟稔于心的新型碳材料在這一解決方案中“大有可為”。選定方向，毅然前行。慈立杰自認從不缺乏“重新來過”的勇氣，這一次，這個勇敢者同樣以堅定的姿態，再次調整方向，將全部精力投入鋰離子電池和其他儲能器件的相關研究領域中，他期待將自己關于新型碳材料的研究成果轉化為推動行業發展的重要動力。

無悔的選擇

——“我是來做產業的”

硅谷層出不窮的創業活動，深深觸動了置身其中的慈立杰，高科技新材料領域日新月異的發展也讓慈立杰“自己去做點什么事”的想法有了實現的可能。恰逢此時，母校山東大學向慈立杰遞出了橄欖枝，國內相關應用研究領域方興未艾，對始終懷有報國之志的慈立杰來說，這可謂是“天時、地利、人和”。沒有太多猶豫，慈立杰立刻打點行裝，在2013年回到了暌違十年的祖國。

重回高校，慈立杰的想法卻與常規認知頗為不同：“我是來做產業的。”慈立杰方向明確，“產業化、實際應用、有用”成了他的主題詞。以高科技新材料領域為切入點，慈立杰在材料、技術、產業化等方向“多向出擊”，在充分重視基礎研究的前提下，與一線企業共同搭建良性的、有效的互動模式，推動我國具有自主知識產權的、有國際競爭力的自支撐科研-應用循環體系快速形成。在積極倡導綠色可持續發展的大背景下，推進高效節能產業體系建設，推動新能源汽車等產業成為支柱產業，大力發展新能源材料等先進功能材料技術，發展清潔高效能源技術推動能源革命已成為我國現階段科技創新與產業發展的主要方向;2020年，“雙碳”承諾更彰顯了我國產業專業的堅定決心和強大信心。從緩解能源危機、大力發展新能源汽車產業、早日實現碳中和的目標出發，慈立杰敏銳地抓住了開發兼顧高能量密度和高安全性能的新一代固態鋰電池體系的風口，在相關研究領域不斷加碼。

據了解，現階段鋰離子電池主要存在兩個棘手問題：其一，目前商用鋰離子電池正、負極材料容量已基本接近各自的理論極限值，商業化產品能量密度大多低于300Wh/kg，遠低于《中國制造2025》規劃提出的“我國動力電池的單體能量密度要在2025年和2030年分別達到400Wh/kg、500Wh/kg”之標準，難以滿足產業發展對高能量密度的需求;其二，目前商用的鋰離子電池多采用易燃、易揮發的液態電解液，在電池濫用或受到外力沖擊的情況下易發生燃燒或爆炸，存在極大安全隱患，近期頻發的電動車自燃事件也印證了這一論斷。堅持問題導向，以釋放電池正負極“潛能”、選取高穩定性電解質為目的，慈立杰不斷探索著下一代鋰電池的全新可能性。

利用固態電解質的固態鋰離子電池，是解決目前鋰電池能量密度低和安全性差問題的優良方案。基于固態電解質不易燃且具有較高的熱穩定性和一定的機械強度的特征，采用固態電解質可以使固態動力電池的安全性能得以有效提升。方法之外，慈立杰還在材料的“品質”方面加碼，以高性能固態電解質的制備創新為著力點，在行業內第一次制備了片狀的鋰鑭鋯氧（LLZO）無機陶瓷顆粒，并借由進一步表面改性獲得高質量的界面層，從而增加無機顆粒的分散均勻性，最終得到高離子電導的有機無機復合固態電解質，實現了優越的離子電導率、高的鋰離子遷移數及寬的電化學窗口等性能，并保證了固態電解質和電極之間的良好接觸。

在固態電池體系中，選擇合適的正負極體系同樣十分關鍵。哪種材料才是傳統正負極材料的“革命者”？這個答案并不唯一。以負極為例，硅負極和鋰負極都是目前研究重點。而正極活性材料目前可以勝任大規模能量存儲的選項主要有磷酸鐵鋰（LFP）和三元鎳鈷錳（NCM）。面對這一情況，慈立杰選擇在復合正負極材料設計創新方面下足功夫。他帶領團隊成員使用快離子包覆構建正負極鋰離子傳輸網絡，保證正負極循環過程中離子快速傳輸，最大限度提高整體電池的倍率及循環容量。在他看來，即使材料選擇眾多莫衷一是，也可以憑借優良的“通道”實現效果最大化。

此外，電池組裝工藝的創新也被慈立杰納入“提升”的過程中。相比液態電池，固態電池在結構上更為緊湊，固態電解質取代了隔膜和電解液，同時起到隔絕正負極和傳導離子的作用，這種變化也決定了二者在生產和裝配流程上的差異。針對這一情況，慈立杰通過濕法流延工藝、干法電極制備工藝等創新，獲得了高界面相容性的全固態電池，保證了電解質與正負極之間的充分接觸及厚度控制，實現能量密度最大程度的提升。從結構到工藝，慈立杰的研究成果成為推動固態電池的實際應用的重要力量，固態電池在諸如移動設備、電動汽車、電網儲能等領域具有廣闊的應用前景，也讓慈立杰距離產業化的夢想更近了一步。

與此同時，開拓新型二次電池體系——鋰空氣（氧氣）電池的相關研究領域也是慈立杰在做的重要工作。據慈立杰介紹，鋰空氣（氧氣）電池主要由金屬鋰負極、電解液和空氣催化正極構成，其理論能量密度高達3500Wh/kg，十倍于傳統的鋰離子電池，其實際能量密度與汽油相當，遠超現有的如鉛酸電池、鋰離子電池、鋅空氣電池和鋰硫電池等能源存儲體系，被主要發達國家認定為可替代汽油內燃機的下一代儲/供能系統。然而由于其工作環境的復雜性，許多基礎性問題仍舊未能徹底解決。為此，慈立杰正在通過構筑高效的空氣正極催化電極、穩定安全的金屬鋰負極和電化學穩定的電解液等方式，為這一鋰電池發展理想方案的未來應用鋪平道路。

科研碩果累累，慈立杰的目光卻沒有局限于實驗室中。面對“教授創業”的質疑聲，慈立杰從未退縮。他堅信，自己誕生于硅谷的“做產業”的愿望，可以在中國這片奇跡的土地上生根發芽。2019年，慈立杰成為哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院的教授，他的夢想也在深圳這片創業熱土上閃爍出新的光輝。

以扎實的科研成果作為基礎，搭建面向需求、面向市場的技術型創業公司，將高校研究團隊與公司研究團隊的步調統一起來，形成良好的幫助促進效應，科研和產品互為支撐，目前慈立杰親自“掛帥”的深圳市索理德新材料科技有限公司已進入這樣“比較理想的狀況”。基于高校科研成果，通過產學研結合，公司已實現高能量密度硅碳負極、氧化物和硫化物固態電解質的產業化。在這里，高校與企業的合作不再是牽強的“拉郎配”，而是形成了兼顧基礎性研究、應用性探索及產品生產的高效率產出模式，“我們做科研的最終目的是實現行業的‘自支撐’，企業和高校科研之間要有一個良性互動、互相反饋的過程，最終讓產業落地的夢想變為現實。這是我們的愿望，現在看來，這也是我們教授創業的優勢。”慈立杰自信地說。

桃李自成蹊

——長久踏實地走下去

專注實踐、矢志實業，“做有用的研究”不僅是慈立杰的座右銘，也成了他教授學生的一條準則。“科研世界是很大的，但是不能抱著‘玩玩花樣’的心態做研究，更不能以發文章為目的做研究，那都是沒有意義的。”愛笑的慈立杰難得嚴肅地強調了自己的教學態度，“在科研過程中，我總是極力地激勵和引導我的學生去做‘有用的研究’，去做能落地、能實用的研究。在我看來，讓學生得到系統的科研訓練，奠定扎實的科研基礎，接觸產業實際應用的前沿，都是我要做的事情。”

為了這個目標，自述為在鋰電池研究領域“半路出家”的慈立杰，每次給本科生和研究生上課前都要用大量的時間備課。他說：“要給學生上兩小時的課，我至少要準備四五個小時，即使講過的內容也要認真準備。教學是責任，絕不能糊弄學生。在鋰電池這個領域，我也是‘現學現賣’，要不斷理解、不斷深入、邊學邊教，以我的親身經歷，為學生展示高科技產業發展的一角，也在交流實踐過程中打造學生的工程化思維，是一個非常美妙的過程。”

傳道受業解惑，在慈立杰的心血澆灌下，屬于他的科研團隊也逐步形成。與一般團隊不同的是，這是一支致力于產業化的高效團隊。這里不僅有專注科研的高校學生、歸國人才，也有具有多年從業經驗的資深研發人員和銷售人員。從科研到應用，慈立杰以言傳身教的方式，為新一代材料人垂范，而其反復強調的產業思維，也正成為團隊不斷奮進、斬獲佳績的重要力量。

一路走來，皆有痕跡。鋼水中凝練的堅韌，碳納米材料和儲能材料與器件實驗室里誕生的夢想，逐浪產業潮頭的雄心壯志，成就了今天的慈立杰。談及未來的發展，慈立杰認為，“上書架”“上貨架”是研究工作的最高境界。所謂“上書架”，就是要做好基礎研究，做出“好材料”，為后續的研究和應用奠定堅實基礎;所謂“上貨架”，則是要面向新能源汽車和規模儲能的市場需求，積極落地能夠產業化的研究成果，并與企業展開橫向研究等多種形式的合作，切實為應用服務，搭建產學研結合的大領域、大聯盟。在慈立杰看來，這對團隊建設和整個學科的發展來說都是難得的機遇。“把基礎研究做好，把產業做好，然后將二者聯系起來，形成一個良性循環，我覺得這就是最佳狀態。充分發揮自己做研究的特長，發掘國內外、校內外的各種合作可能性，為真正的產業應用提供支撐，這是國家交給我們的使命。這個過程雖然沒那么順利，但畢竟做事情肯定不會一帆風順，特別是做產業化。但是我的心是很堅定的，直到今天，我仍然對科研和產業化工作充滿了新鮮感，未來我期待能夠更長久、更踏實去做這些事，不辜負國家的期待。”科

（責編：唐一白）