麥立強：納米新能源創新，應深入挖掘原創成果

文/劉榮　孫繼文

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麥立強：納米新能源創新，應深入挖掘原創成果

文/劉榮孫繼文

麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授、材料科學與工程試點學院執行院長，國家杰出青年基金獲得者、科技部“中青年科技創新領軍人才”，入選“國家百千萬人才工程”。長期從事納米能源材料與器件研究，設計組裝了國際上第一個單根納米線全固態電化學儲能器件，取得了多項創新性成果。已發表SCI論文140余篇，以第一或通訊作者發表影響因子9以上論文43篇。14篇入選近十年ESI前1%高被引論文，應Chem. Rev.邀請發表專題綜述并入選ESI全球TOP0.1%熱點論文。獲發明專利36項。主持國家重大科技研究計劃課題、國家國際科技合作專項等項目20余項，獲湖北省自然科學一等獎（排名第一）、科學中國人(2014)年度人物、湖北青年五四獎章等榮譽稱號。

2010年9月，武漢理工大學麥立強教授成功設計組裝出國際上第一個單根納米線全固態電化學儲能器件，不僅《自然》亞洲材料網站和德國Nanowerk網站對此進行了專題報道，鋰離子電池先驅M.S.Whittingham教授、斯坦福大學Y.Cui教授等世界一流學者也對此給予肯定和關注。

麥立強因此被譽為納米新能源領域新秀，并因此逐漸走進國際視野。作為目前我國納米能源材料與器件研究領域的代表人物之一，近期，麥立強接受了本刊專訪，對當前納米新能源研究的熱點、難點，以及未來發展前景等大眾關注的問題進行了一一解答。

記者：在納米能源材料領域，您都進行了哪些研究？產生了怎樣的意義？

麥立強：我長期從事新能源納米材料與器件的研究，目前為止在以下領域略有所成：

設計組裝了國際上第一個單根納米線全固態電化學儲能器件，通過原位表征建立了納米線的電輸運、結構與電極充放電狀態的直接聯系，揭示了長期制約電池發展的容量衰減機制。

率先提出通過二次水熱預鋰化和電沉積預鈉化等改善離子擴散和電輸運性能的策略，系統地研究了在層狀材料層間預嵌入不同尺寸堿金屬離子對其電化學性能的影響，極大地提高了儲能器件循環壽命。

建立了分級異質、超長分級、分級介孔等復雜納米線結構構筑方法，提出了石墨烯半中空卷導電緩沖結構等同時提高結構穩定性和電輸運性能的策略，大幅改善了儲能器件的循環壽命、能量密度和功率密度，突破了高性能納米線電池電極材料的產業化關鍵技術，有效推動了世界范圍內，納米儲能材料與器件的發展及應用。

記者：您剛提到的單根納米線電化學器件，在業界引起了強烈反響。它的研究經歷是怎樣的？

麥立強：2008年6月，我以高級研究學者身份應邀赴哈佛大學跟隨納米科技奠基人、美國科學院院士Charles M.Lieber教授開展研究工作。在這期間，針對電化學能源領域容量衰減快的問題，我率先提出了設計組裝單根納米線電化學器件原位研究容量衰減機制的想法。

這一想法得到了Charles M. Lieber院士的肯定和贊賞。于是，為了制得好的納米器件，我突破既定研究模式，花了一年多時間，與合作者一起進行反復實驗，并對實驗結果進行反復驗證和推敲，實現了在電化學過程中對電池材料的原位檢測，還避免了電池中其他組分，如導電添加劑、粘結劑等對觀測結果的影響。最終證明了電導率降低、結構劣化是造成電化學儲能材料容量衰減的本質原因。

記者：單根納米線電化學器件是一個怎樣的成果？它的成功對納米能源材料研究產生了怎樣的影響？

麥立強：這種微納米儲能器件，是一種可同時用于原位檢測和微納系統支撐電源的單根納米線全固態電化學檢測平臺，它為原位檢測儲能材料電化學過程提供一種新的策略，具有通用性，可廣泛應用于各類電極材料的電化學過程原位檢測，為解決儲能材料容量衰減快等問題奠定了科學基礎。

另外，它還可以為組裝集成化微納自驅動器件和系統提供儲能元件，能夠極大地促進微納自驅動器件的發展。

人類生存發展離不開能源，但能源短缺和環境污染也成為當今人類面臨的最大挑戰之一。

近年來，隨著相關研究的不斷深入，納米技術在提高能源利用率、節能環保、新能源開發，特別是再生能源利用中的作用逐漸顯現出來。利用納米材料與納米效應構筑能源納米儲能器件，已經成為一個新的熱點領域。

業內人士表示，納米能源材料與器件領域的研究，不僅能夠帶來科學上的創新，同時也對國家能源安全和節能減排有著極為重要的意義。

記者：納米能源材料是當前比較熱門的領域。在您看來，該領域的發展趨勢是怎樣的？面臨哪些挑戰？

麥立強：我認為，儲能器件的發展趨勢大致分為兩個方面，一是大規模的儲能器件，例如對太陽能與風能的存儲；二是微納儲能器件，柔性化或集成自驅動微納米儲能器件等。

高性能的儲能器件是新能源汽車、大規模儲能、微納器件等發展的關鍵，而高能量密度、高功率密度的儲能材料又是構筑高性能儲能器件的基礎。目前，容量衰減快與高能量密度/高功率密度難以兼顧的問題是高性能儲能器件發展面臨的主要問題。通俗地說，就是電極材料無法滿足人們越來越高的需求。

記者：我國納米新能源研究目前取得了哪些進展？面臨的最大挑戰是什么？您認為應該如何突破？

麥立強：我國納米新能源研究正在蓬勃發展，涌現了一批國際知名科學家，在多個國際著名期刊上發表了很多高水平論文，納米新能源產業的發展也非常迅速。釩系納米線動力電池材料、硅納米線電極材料及石墨烯電極材料等在規模化制備方面取得關鍵性進展，有望實現產業化。

但相較于國際先進水平，我國原創性成果不夠深入，科研成果產業化不足，仍然是最大的劣勢。而最大的挑戰在于各類納米新能源器件的性能優化機制和衰減機制不明確，缺乏原位表征和本質、普適性的規律，還缺乏關于納米材料放量生產技術的研發。

針對這些問題，我認為需要加強對本征規律的探究，例如在鋰離子電池領域，對離子、電輸運、納米結構變化的實時觀察與檢測，是提高電極材料性能的重點。但實現起來非常困難，所以這方面的研究應該受到更大的關注。獲得本征規律后，進而要對納米儲能材料進行合理設計，從而獲得高性能、高穩定性的納米新能源材料，這是研發高性能納米新能源器件的基礎。

此外，還需要對納米材料進行放量生產，探究實驗室水平與工業化生產水平之間的差異，緊追國際高水平能源器件的步伐，才能使我國納米新能源產業始終保持領先水平。

我們實驗室對釩系納米線動力電池的放量生產進行了深入探索，建立了產業研發基地，成功建成電極材料中試線和電池生產線，組裝了18650電池與電池組。電池批次穩定性能好、加工性能優異，已經進行了裝車測試，并取得了良好的進展。

2009年，在麥立強的積極推動和中美雙方相互協商下，武漢理工大學——哈佛大學納米聯合重點實驗室正式成立。哈佛大學Lieber院士擔任實驗室主任，麥立強為執行主任。

實驗室成立以來，致力于納米能源材料與器件的研究，包括新能源材料、微納器件、面向能源的生物微納電子界面等前沿方向，重點開展了納米電極材料可控生長、性能調控、器件組裝、原位表征、電輸運與儲能等系統性的基礎研究，取得了一系列國際認可的創新成果。

記者：您剛才提到了實驗室，當初成立實驗室是出于怎樣的考慮？

麥立強：主要是希望能在新型納米材料、生物納電子界面、新穎高性能納電子—細胞原料電池等研究領域取得重要突破，推動中美納米科技領域的合作研究與發展，為我國培養一批納米科學技術、納米生物醫學技術和新能源材料技術領域的高水平優秀人才。

麥立強教授指導外國留學生

記者：成立至今，實驗室的發展情況如何？近年來取得了哪些成績？接下來又會有哪些發展規劃？

麥立強：目前，在實驗室主任Lieber院士的領導和各級領導的幫助下，我們實驗室現有教師8名，其中“青年千人計劃”入選者和“楚天學子”各一人。目前為止已指導研究生（碩士與博士）60余名，其中留學生3名，已畢業碩士19名、博士4名，推薦10余人前往哈佛、牛津等世界知名高校深造。

我們還有化學氣相沉積C V D（S i /G e Nanowire Growth System）、熱蒸發儀、光刻機、電子束光刻機、半導體測試儀、低溫真空探針臺、手套箱、二維面探測X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡等設備，能很好地支撐納米材料的合成與表征及器件研制與測試。

至今，實驗室發表SCI論文70余篇，獲國家發明專利28項，承擔國家杰出青年科學基金、國家重大科學研究計劃課題等項目20余項，成功舉辦第十屆中美華人納米論壇，第一屆中法先進材料研討會等重要會議，也將于2016年6月與Nature、Nature Materials、Nature Energy共同舉辦《自然》能源材料國際研討會。

未來，我們將繼續建設結構合理、跨學科的一流研究團隊，進一步探索納米儲能體系能量運輸與儲存理論，構筑納米自驅動系統，實現納米尺度上的產能儲能一體化，積極促進納米線電極材料的放量生產，實現納米線電極材料與動力電池的批量制造。

記者：方便透露您目前在研項目的進展和預期目標，以及未來計劃嗎？

麥立強：目前我主要承擔國家杰出青年科學基金、國家重大科學研究計劃課題等項目研究，進展比較順利。這些項目瞄準世界先進水平，例如國家杰出青年基金項目，目標是要利用微納儲能器件探究復雜結構納米線的儲能機制，實現單體系/多體系納米線儲能器件的集成于納米線自驅動系統的設計。此外，我們還開展了介孔材料在能源存儲器件中的應用研究。

未來，我將結合儲能材料研究領域的最新動態，將納米結構效應與納米器件技術引入儲能材料研究中，為儲能材料開辟新的研究領域，并對納米材料的可控合成與生長機理、納米材料的結構與性能調控、納米自驅動系統原型器件等進行深入探索。

記者：您如何看待納米新能源未來的發展潛力？如何做到創新驅動發展？

麥立強：近年來，納米產業發展迅速。至2020年，全球納米產業產值有望達到3萬億美元，而納米新能源是其中的重要組成部分，由此足以看出其發展前景。納米新能源是新能源的重要發展方向，同時也存在很多問題亟需解決。因此，納米新能源領域在未來將會繼續成為科學研究與產業生產上的熱點，受到大家的廣泛關注。

習近平總書記說，科技成果只有同國家需要、人民需求、市場需求相結合，完成從科學研究、實驗開發、推廣應用的三級跳，才能真正實現創新價值，實現創新驅動發展。

因此，我認為納米新能源領域的創新，首先要注重原創性成果的深入挖掘，應引導科研人員對研究課題進行獨創性、系統性研究，利用自身優勢開創新領域，為世界自然科學的發展貢獻力量。

其次，要注重產業開發。眾所周知，實驗室取得的成果在進行工業生產時會遇到不少問題。因此，科研人員需要以解決這些問題為己任，用自己的知識實現真正的創新價值，為國家創造科學技術競爭力，驅動國家發展。

最后，要積極吸引、推動有決心的企業共同開發新技術、新產業，共同驅動國家經濟的發展，造福民眾。