鉅大LARGE | 點擊量：564次 | 2022年06月27日
用材料構(gòu)筑安全防線，讓鋰電池擺脫著火命運
2019年十二月十四日，《麻省理工科技評論》公布了2019年"35歲以下創(chuàng)新35人"（InnovatorsUnder35China）我國區(qū)榜單。在本屆榜單上，雖然缺失了"創(chuàng)業(yè)家"的身影，但是我們看到了許多在具有產(chǎn)業(yè)化潛能的領域方面堅持科研使命的獲獎人，也看到更多散布在海外優(yōu)秀學術(shù)機構(gòu)的科學家們，用自身不改初心的堅持努力，取得了專家級標竿成就的科研成果，其中有超過半數(shù)以上的獲獎者，都取得了專家級的突破性研究成果和發(fā)現(xiàn)。我們將陸續(xù)發(fā)出對35位獲獎者的獨家專訪，介紹他們的科技創(chuàng)新成果和相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗，以及他們對科技趨勢的理解和判斷。
自1999年起，《麻省理工科技評論》每年都會推出"35歲以下創(chuàng)新35人"（InnovatorsUnder35China）榜單，旨在于全球范圍內(nèi)評選出被認為最有才華、最具創(chuàng)新精神，以及最有可能改變世界的35位年輕技術(shù)創(chuàng)新者或公司家，共分為發(fā)明家、創(chuàng)業(yè)家、遠見者、人文關(guān)懷者及先鋒者五類。2017年，該榜單正式推出我國區(qū)評選，遴選我國籍的青年科技創(chuàng)新者。新一屆2020年度榜單正在征集提名和報名，截止時間2020年六月三十日。詳情請見文末。
劉凱憑借其在鋰電池領域取得的一系列成果，榮膺2019年《麻省理工科技評論》"35歲以下科技創(chuàng)新35人"我國區(qū)得主。
獲獎時年齡：32歲
獲獎時職位：清華大學助理教授獲獎理由：他從事高安全性鋰電池的科研工作，系統(tǒng)研究了鋰電池的熱失控機理，在材料層面提出了提高鋰離子安全性的一系列新方法。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰電池是電動汽車、便攜式設備、能源儲存等領域最重要的技術(shù)之一?？梢哉f，沒有鋰電池，就沒有移動的智能生活，人類應對氣候變化的努力也將缺少一個重要的幫手。
然而，從鋰電池技術(shù)誕生之日起，它的頭上就一直籠罩著一層揮之不去的"陰影"——安全性。不論是被各大公司拒絕的三星note7，還是時常聽聞的電動汽車自燃事故，這背后反映出的都是同一個問題：鋰電池太容易熱失控了。
清華大學化學工程系助理教授劉凱，從事的就是高安全性鋰電池的科研工作。他在材料層面提出了提高鋰離子安全性的一系列新方法，有望使電動汽車、手機等擺脫著火的命運。
劉凱本科就讀于吉林大學化學學院。這里氛圍踏實、培養(yǎng)系統(tǒng)、教學嚴格，是很多優(yōu)秀化學人才的搖籃。之后，他進入清華大學化學系攻讀博士學位，并斬獲了清華大學的最高榮譽——每年僅在全校范圍內(nèi)獎勵10名研究生的清華大學特等獎學金。
博士畢業(yè)后，劉凱赴美國斯坦福大學開展博士后研究工作。劉凱回憶道，斯坦福是一個十分多元開放的地方。學校內(nèi)部不同科系之間的界限很不明顯，電子、機械、材料、化學、物理的人都在同一個樓里做實驗，連吃飯交流的時候都會出現(xiàn)很多交叉的想法。而實驗室里更是什么背景的人都有，不管遇到什么問題，都能找到專家去問。他在鋰電池安全領域的創(chuàng)新，也正是得益于這種"任何思路都不受限制"的環(huán)境。
在博士期間，劉凱的研究方向是超分子材料。這是一種基于分子間的超分子用途自組裝形成的材料，具有動態(tài)響應、自我修復等特殊的優(yōu)異性能。但有關(guān)博士后期間要研究的鋰電池，其實一開始他并不熟悉?？伤麉s把自己在超分子材料方面的知識，引入到了鋰電池的研究之中，在本質(zhì)上大幅提高了鋰電池的安全性。
他首先深入系統(tǒng)地分析了鋰電池出現(xiàn)熱失控的機理，并把它分成了"萌芽""蔓延""爆發(fā)"三個階段。以鋰電池安全最大的威脅之一——鋰枝晶生長為例：在低溫充電、快速充電等情況下，電極材料上會生長出樹枝狀的金屬鋰枝晶，這便是鋰電池熱失控的"萌芽"階段。之后，在"蔓延"階段，鋰枝晶會逐漸刺破正負電極之間起絕緣用途的薄膜，進而在"爆發(fā)"階段造成電池的內(nèi)短路、起火和爆炸。
針對三個階段各自不同的特點，劉凱設計出了不同的材料，構(gòu)建出防止鋰電池熱失控的"三道防線"。
在"萌芽"階段，劉凱引入了動態(tài)超分子作為鋰金屬電極的"智能反饋"涂層。他將一層厚度僅約1微米的含有硼酸酯動態(tài)共價鍵的高分子，涂在了鋰金屬的表面。這個涂層本來是軟的，但當鋰枝晶生長起來、戳到涂層后，會激發(fā)出硼酸酯動態(tài)共價鍵的"剪切增稠性質(zhì)"，讓涂層變硬，把生成的鋰枝晶"按"下去。劉凱發(fā)現(xiàn)，這種智能涂層可以有效抑制鋰枝晶的出現(xiàn)，而副用途卻很少。
假如鋰枝晶突破了第一道防線，刺入了隔膜，電池的熱失控就進入了"蔓延"階段，劉凱的第二道防線就要起用途了。他提出了一種名叫"反應-保護"型隔膜的新機理，在隔膜上面加了一些化學物質(zhì)，可以把進入隔膜的具有高化學活性的鋰金屬"吃掉"。這種利用化學淬滅減緩鋰枝晶生長速率的方式，將鋰金屬負極的使用壽命延長了5倍。
最后在"爆發(fā)"階段，他還構(gòu)建了第三道防線——具有熱刺激響應功能的"分子滅火器"。為防止電池燃燒，常用的方法是在易燃的電解液中添加防火劑，但防火劑會大大降低電池在正常運行時的電化學性能。而劉凱想到的解決方法，是把防火劑裝進用電化學惰性、熔點低的含氟共聚物制成的微型外殼之中。正常充放電時，高分子外殼能夠阻隔防火劑和電解液接觸，減小防火劑對電池性能的負面影響；而當電池發(fā)生熱失控導致溫度升高時，外殼則會受熱熔化，像滅火器相同把防火劑噴出來，釋放到電解液中，起到抑制燃燒的用途。在不影響鋰電池性能的前提下，他將電解液自熄滅的時間縮短了近30倍。這種思路讓鋰電池同時兼具高電化學性能和良好的安全性成為了可能。
劉凱表示，影響鋰電池安全性的因素非常多，自己只是供應了一個框架和思路，將來肯定還有很多可以做的。"科研是我們報效祖國的方式。希望世界能因為我們的研究成果而發(fā)生一些好的改變，這是科研工作者的使命。"
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