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(xué)中心來到中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院，這個年輕人不只是回到了家鄉(xiāng)，也回到了科研夢開始的地方。

和中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院孔德斌教授對話，時(shí)常會被他謙遜溫和的態(tài)度和誠懇踏實(shí)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(fēng)采和追求。

說到孔德斌的追求，他對碳功能材料的態(tài)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(xué)研究的熱愛，還要對取得的研究結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C，更要學(xué)會創(chuàng)新，敢于去探索不一樣的領(lǐng)域。

近年來，孔德斌一直圍繞電化學(xué)儲能中碳功能材料的科學(xué)問題開展研究，尤其針對硅等高容量非碳負(fù)極及其致密儲能應(yīng)用深入探索，取得了一系列創(chuàng)新性成果，包括利用碳材料構(gòu)建“強(qiáng)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(yīng)用等。不斷開展的創(chuàng)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(lǐng)域中極為重要的材料，運(yùn)用好碳材料將會對動力電池的發(fā)展有至關(guān)重要的作用?！笨椎卤髮μ疾牧嫌泻芨叩脑u價(jià)，他認(rèn)為通過碳材料可以延伸到其他領(lǐng)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(xué)儲能等領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)是他的科研啟蒙殿堂。2007—2016年，他相繼在天津大學(xué)完成了化學(xué)相關(guān)專業(yè)的本科、碩士及博士的學(xué)習(xí)，其間，國家納米科學(xué)中心智林杰研究員和碳材料著名學(xué)者、天津大學(xué)楊全紅教授對他影響深遠(yuǎn)。“兩位導(dǎo)師講課清晰生動，經(jīng)常會先引起我們的興趣后再深入去講解專業(yè)知識?！庇每椎卤蟮脑拋碚f，就是體會到了“學(xué)習(xí)和科研是件有趣的事”。這個階段，良好的教育培養(yǎng)了他的“科研嗅覺”和“科研味覺”，后來孔德斌在導(dǎo)師的引領(lǐng)與指導(dǎo)下，先后參與了多個重點(diǎn)項(xiàng)目研究。

2019年，在中國工程院院士陳立泉、導(dǎo)師楊全紅教授、中國科學(xué)院物理研究所李泓研究員的帶領(lǐng)下，孔德斌參與了中國工程院“工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究”重大項(xiàng)目“動力電池技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究”。陳立泉院士是我國首位鋰電池材料領(lǐng)域的院士，可以說是中國鋰電領(lǐng)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(jīng)取得多項(xiàng)引領(lǐng)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(diǎn)越來越近，也越走越穩(wěn)。

科學(xué)是要用于服務(wù)的，孔德斌一直堅(jiān)持這一觀點(diǎn)。他目前正在進(jìn)行的硅碳材料開發(fā)項(xiàng)目是在溧陽天目先導(dǎo)電池材料科技有限公司的牽頭下，與天目湖先進(jìn)儲能技術(shù)研究院有限公司和天津大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，采用“產(chǎn)、學(xué)、研、用”的聯(lián)合攻關(guān)模式。他們將研究重點(diǎn)放在了如何開發(fā)用于高能量密度鋰離子電池中的高性能納米硅基負(fù)極材料這一關(guān)鍵問題上，就此展開了日復(fù)一日的刻苦鉆研。他們逐一攻關(guān)了單分散納米硅制備、硅碳復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(shù)難題，最終成功開發(fā)出具有高容量、高首效、長循環(huán)、低膨脹的商業(yè)化硅基負(fù)極材料，首次庫倫效率和循環(huán)保持率等性能均達(dá)到了國際一流水平。

“做科研是開心、幸福的。”在項(xiàng)目研究過程中，孔德斌經(jīng)常會與導(dǎo)師討論，每次思維碰撞過后，導(dǎo)師的一些觀點(diǎn)總能啟發(fā)他產(chǎn)生新想法，這讓他感受到了科研的新鮮感和成就感。據(jù)孔德斌介紹，研究生期間，導(dǎo)師總會把學(xué)生“拉練”到科研一線，鼓勵他們?nèi)グl(fā)現(xiàn)問題，解決問題，不斷思考，大膽創(chuàng)新。在這樣的反復(fù)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(xiàng)每年全球范圍內(nèi)只評選4人，這正是他多思多想多創(chuàng)新的結(jié)果。而這樣的習(xí)慣，孔德斌也一直保持到現(xiàn)在。

做既有趣又有用的研究

2016年博士畢業(yè)后，孔德斌來到國家納米科學(xué)中心中國科學(xué)院納米系統(tǒng)與多級次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作。他坦言，這一階段不僅是學(xué)術(shù)水平提升的重要過程，也是從學(xué)生到老師身份轉(zhuǎn)變的過程?！皝淼絿壹{米科學(xué)中心，我不僅能在學(xué)術(shù)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?！?/p>

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(diǎn)上，早在研究生時(shí)期，他就深有體會。孔德斌介紹，在傳統(tǒng)的石墨烯組裝過程中，通常都是對水凝膠進(jìn)行凍干處理保存原貌，但在一次做石墨烯組裝實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)時(shí)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(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)石墨烯已經(jīng)有明顯的縮小現(xiàn)象，形成了一個致密多孔的碳材料，也因此發(fā)明了毛細(xì)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(yù)期不相符的現(xiàn)象進(jìn)行重點(diǎn)觀察。“要善于發(fā)現(xiàn)不同尋常的一面，有時(shí)就會得到意想不到的、有趣的結(jié)果?！?孔德斌笑談道。

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

同時(shí)為了響應(yīng)國家“加快能源技術(shù)創(chuàng)新，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系”這一重要發(fā)展戰(zhàn)略，孔德斌希望能將碳材料引入微米硅中，構(gòu)筑一種“既強(qiáng)且韌”的微米硅碳負(fù)極，提高其循環(huán)性能，并將這種改造升級后的微米硅材料引入新能源領(lǐng)域?！斑@也是契合‘2030實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一個重要發(fā)展方向?！碧崞疬@一設(shè)想，孔德斌興奮不已。

目前，基于這一想法，孔德斌正著手準(zhǔn)備開展國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“面向致密儲能的快充微米硅碳負(fù)極構(gòu)建及其電荷傳輸行為研究”。他表示，當(dāng)前阻礙微米硅走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵之一，是如何在致密體系下針對更大尺寸的微米硅構(gòu)建電子、離子傳輸網(wǎng)絡(luò)。對此，孔德斌計(jì)劃要將重點(diǎn)放在實(shí)用層面，從基元結(jié)構(gòu)-復(fù)合界面-電極輸運(yùn)等多尺度出發(fā)，在精確設(shè)計(jì)碳緩沖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使致密材料和電極能在受限空間內(nèi)進(jìn)行電子與離子之間快速輸運(yùn)，從而制備出高倍率高致密的微米硅碳負(fù)極。

此前，在智林杰研究員和楊全紅教授的帶領(lǐng)下，孔德斌在“致密儲能”研究領(lǐng)域也有創(chuàng)新成果。他不僅對碳基納米電纜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行“翻新”，制備出長壽命的微米硅/碳負(fù)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(jìn)行了精準(zhǔn)預(yù)制，平衡了材料的密度和孔隙，從而實(shí)現(xiàn)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(xué)術(shù)成果的基礎(chǔ)上再次致力創(chuàng)新，為推動微米硅走上實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)化不斷努力，孔德斌的學(xué)術(shù)研究也因此走上了“快車道”。

千難萬險(xiǎn)只為破解硅之謎

想要構(gòu)建具備高體積能量密度的鋰離子電池負(fù)極，強(qiáng)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(guān)項(xiàng)目，并計(jì)劃開展諸多創(chuàng)新探索。他有一個習(xí)慣，時(shí)常進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，不斷在腦海中進(jìn)行著有關(guān)微米硅負(fù)極的基礎(chǔ)性問題與應(yīng)用之間的“遐想”，一旦迸出點(diǎn)想法，便迫不及待地與團(tuán)隊(duì)共同探討?！按蛟煳⒚坠璧膽?yīng)用化道路，破解其中的奧秘”成了他們新的科研目標(biāo)。

據(jù)孔德斌介紹，構(gòu)建強(qiáng)且韌的微米硅/碳負(fù)極是項(xiàng)目研究的終極目標(biāo)，但以當(dāng)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(dǎo)致電子與離子在快速輸運(yùn)時(shí)嚴(yán)重受阻，同時(shí)這也正是阻礙微米硅踏上實(shí)用化道路的主要瓶頸。

針對這一難點(diǎn)，孔德斌已經(jīng)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(tài)的，因此孔德斌提出了構(gòu)建“納米彈簧”橋連的自適應(yīng)動態(tài)界面，可以實(shí)現(xiàn)在其接觸界面間構(gòu)建連續(xù)的導(dǎo)電通路;此外他還設(shè)想可以通過提前植入固相離子傳輸通道，實(shí)現(xiàn)電子和離子在致密材料和電極受限空間內(nèi)的快速輸運(yùn)，這樣一來就有望解決高致密電極中的離子輸運(yùn)難題;與此同時(shí)，孔德斌計(jì)劃將前幾項(xiàng)研究成果進(jìn)一步推向?qū)嵱没缆??！巴ㄟ^項(xiàng)目，無論是理論還是技術(shù)方面，高容量微米硅負(fù)極的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用都會有巨大的改變，而且在電動汽車等領(lǐng)域里也會有巨大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。”孔德斌對此很是堅(jiān)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(lǐng)域多學(xué)科之間的交叉合作，使其最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破。

也因此，孔德斌在培養(yǎng)學(xué)生時(shí)，都會讓他們多思考，形成自己的獨(dú)立思想后，再去做研究，而不是被其他人左右。在學(xué)習(xí)中研究、在研究中學(xué)習(xí)，孔德斌常常先引領(lǐng)學(xué)生入門，再培養(yǎng)他們的信心，腳踏實(shí)地地做好研究本身。他提到，做科研，踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、大膽求問的精神、善于創(chuàng)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(xué)中心，到中國石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院任特任教授，并獲得中國石油大學(xué)（華東）“光華學(xué)者”的榮譽(yù)。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(shù)年、數(shù)十年，他都會為此努力，一往無前。

（責(zé)編：張聞）