撥開迷霧尋前路，探索電池新未來
——記香港城市大學教授劉奇

孫雅琴

劉奇

回歸祖國并扎根香港的這些年，劉奇的工作和生活總是多姿多彩。在課堂和實驗室，他是眼光前瞻、大膽探索的隨和導師，制備出更適合市場和實際應用的下一代電池是他的目標；在每周二、周四的休息時間里，他卻是一個“假學生”，經常仗著自己面相年輕“混入”不同的學生隊伍中，打上幾場緊張刺激的籃球對戰；周末，則是他約上三五好友享受網球運動的時刻。專注科研和教學、擁抱生活之外，劉奇最關注的就是青少年的成長和科普工作。只要附近的中小學向他發出邀請，就算是加班趕工、取消運動計劃，他也要擠出時間前去進行科普講座，和青少年交流互動。在他看來，科學的生命力在于不斷更新迭代，未來中國科研的主力必將來自當下的青少年；講好科學故事、弘揚科學精神，激發他們愛科學、講科學、用科學的意識，是每一位科技工作者的分內之事。

青衿之志，履踐致遠

制備出一種兼顧高安全性、循環使用壽命長等特性且具有快速充放電能力的鋰電池負極材料；通過界面工程方法抑制錳基材料的畸變，解決錳基材料不穩定導致的電池衰減嚴重問題；通過石墨中的鹵素轉化-插層化學實現水系鋰離子電池……千百個日日夜夜的不懈拼搏，換得累累碩果，也構成了屬于劉奇的標簽——優秀的青年科研工作者。他長期致力于原位同步輻射技術和中子散射技術在電極材料的應用，具有豐富的原位電池組裝、表征與測試經驗，在物理、化學、材料和工程領域取得了眾多原創性和突破性的工作。

如今回望其成長歷程，劉奇坦言：“科研并非我最初的選擇。”

2001年，劉奇考入湖南大學。彼時，科技創新之風尚未吹遍祖國大地，打工創業仍是全國熱潮之一，實干報國的創業故事層出不窮。在這樣的大環境影響下，劉奇也躍躍欲試。直到大四時期，他才在一位專業課老師的影響下有了在學術領域繼續攀登的想法：“那時這位老師剛從美國回來，他的遠見卓識十分令人佩服。在他的影響下，我認為還是應該不斷提升自己，去看一看外面的世界。”

心有所信，方能行遠。創業也好，科研也罷，無論選擇哪條道路，實干始終是劉奇理想的核心。即便在后來的求學路途中，劉奇因個人興趣變化數次進行專業跨越，也從未脫離“應用”與“工程”這兩個關鍵詞。碩士時期，劉奇打下了堅實的應用化學基礎，并初步具備了一名科研人員應有的基本素養。畢業之際，他有感于自身“開眼看世界”的時機已經成熟，便前往美國普渡大學學習。

此時，劉奇再度跨越專業壁壘，進軍機械工程領域，也第一次接觸到原位同步輻射技術研究。同年，他進入美國阿貢國家實驗室，一邊跟隨普渡大學的導師如饑似渴地學習，一邊跟隨實驗室的導師孜孜不倦地探索。

忙碌，是劉奇這段海外求學生涯的底色。回憶往昔，曾經遇到的一些困難與挫折都已被他逐漸淡忘，每一次突破帶來的喜悅還存留腦海，但印象最深的，還要數初入美國阿貢國家實驗室去觀摩同步輻射光源時的情景。“我當時真是驚呆了！整個儀器的直徑很大，圍繞它走一圈就要用上將近1小時。”

彼時，中國的同步輻射光源規模大多較小，大型同步輻射光源僅有上海光源一處，于2009年首批建成7條光束線站，整體尚未完工。也因此，這次“震撼經歷”留給劉奇的不僅僅是“初見世面”的驚嘆和艷羨，還有強烈的緊迫感和奮發圖強的決心。

重任在肩，策馬加鞭

同步輻射因強度高、覆蓋的頻譜范圍廣、可以任意選擇所需要的波長、連續可調等特點成為科學研究的一種新光源。目前，它已經成為生命科學、材料科學、物理學、化學、地質學等眾多學科領域的基礎和應用研究的一種先進的、不可替代的工具。例如，在鋰離子電池材料的結構及機理研究中，同步輻射技術可以獲取電池電極材料結構物相、形成過程及電池充放電過程中電化學反應機理的詳細信息。劉奇說：“如果把電池比作病人，同步輻射就相當于臨床使用的X光、核磁共振成像技術，能夠在不破壞電池本身的情況下‘看清’其內部各種物理、化學反應。這樣一來，當我們采用一種新材料做研究時，就能夠清楚地通過反應過程知道它到底是否適合用來制造電池。”

具有快速充放電能力的鋰電池負極材料——新型鈦鈮氧材料，就是劉奇在香港開展材料工程研究的數年里，利用同步輻射技術開發出來的。這種材料有望將電動汽車數小時的充電時間大幅縮短到3～6分鐘，在充放電能力大幅提升的同時，材料本身的穩定性并不會受到很大影響，充放電500次后依然能保持98.7%的高容量穩定性。

負極材料主要影響鋰電池的容量、首次效率、循環性能等，正極材料則能夠直接影響鋰電池各項性能指標。目前，用以制造鋰電池的正極材料主要有4種，分別是鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰（NCM三元材料）、磷酸鐵鋰、錳酸鋰，其中鈷酸鋰為第一代正極材料且長期占據市場主導地位。

日常生活中，鋰離子電池的續航問題向來為人所詬病，遠遠達不到理論容量274毫安時/克。這是因為在實際使用中，為了保持鈷酸鋰的結構穩定性和良好的循環性能，一般將充電電壓限制在4.2伏左右，這就導致鈷酸鋰的可逆容量只有140毫安時/克左右。近年來，盡管科研人員通過表面包覆合、元素摻雜等手段提升了鈷酸鋰材料的結構穩定性，使鋰離子電池充電電壓得以增至4.35伏、實際使用容量達到165毫安時/克左右，但仍然無法滿足高比能鋰離子電池的需求。

這一短板直觀地體現在了市場上的各類便攜電子產品中。“以蘋果手機為例，僅就電池性能而言，近3年來生產的新款手機與10年前生產的手機實際上并無太大差別。裝配同等質量電池的手機續航時間之所以延長許多，大多要歸功于軟件的優化和顯示屏等其他硬件的改進。”正是在這一背景下，華為中央研究院向美國阿貢國家實驗室發起合作邀請，劉奇作為核心成員主持部分研發工作。2018年，這支聯合團隊經過數年探索，成功將鋰離子電池充電電壓增至4.5伏，可逆容量增至190毫安時/克。

從140毫安時/克到190毫安時/克，看似變化很小，卻預示著鋰電行業又一場盛會即將到來。然而作為技術的創新引領者，劉奇等人卻對鋰離子電池的未來深感憂慮：“一方面，我們越來越接近鈷酸鋰274毫安時/克的容量頂點，必須突破其他正極材料的技術瓶頸，讓鋰離子電池煥發新的活力；另一方面，當前受鋰資源儲量低和分布不均勻的限制，僅靠鋰離子電池這一項技術遠不足以支撐整個社會的消費和儲能需求，發展鋰離子電池的替代或備選儲能技術也迫在眉睫。”

作為傳統鋰離子電池領域聲名赫赫的團隊，劉奇等人早在數年前便注意到了第四代正極材料錳酸鋰的發展潛力。“與鈷酸鋰相比，錳酸鋰價格低、電位高、環境友好、安全性能高，十多年前就已經被嘗試用來制造電池。但它有一個致命的缺點——材料本身穩定性差，這導致充放電過程中電池衰減極其嚴重，循環使用壽命極短，并不具備大規模產業化的優勢。”這項難題并不是那么好解決的，從決定開拓這一方向，到如今取得令人驚喜的突破，團隊可謂歷盡艱辛。盡管當前團隊的這一成果距離應用仍有諸多難題需要克服，但他們仍然期待著，在不久的將來，人們能看到以錳酸鋰作為正極材料的新型電池走進千家萬戶。

此外，鈉電池、固態電池等位于科技前沿的研究重點，團隊也多有涉及。但無論通向成功的路途中有多少迷霧與阻礙，劉奇探索電池未來發展道路的初心不會改變。與時代同行，不斷通過學習認識新事物、發展新事物，就是他最大的樂趣。