黃學傑：中科院另類科學家的鋰電情緣

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圖片：受訪人提供、圖蟲創意

黃學傑是中國科學院物理研究所的研究員，他行事不拘一格，頗有些像電視劇《亮劍》中的李雲龍。

對於科研，他另闢蹊徑，挑戰別人眼裡的不可能。1996年，他接下了鋰電池產業化的艱巨任務，成為中國鋰離子電池的工業化生產的第一批推動者。近期又帶領團隊開發出新一代鋰動力電池及材料體系，直擊動力電池行業密度、成本、充電速度等三大痛點。

對於角色轉換，他敢於下海，亦捨得上岸。2003年，他和團隊與聯想投資合作，成立蘇州星恆，將動力電池成果應用於動力鋰電生產，建立起電動自行車鋰電頭部企業——星恆電源。企業走上正軌之時的2006年即默默退回了科學界，今天星恆電源已成為電動輕型車領域的知名品牌，尤其在二輪車鋰離子電池領域生產份額領先。

遊刃於科學研究與社會需求之間，黃學傑坦言自己希望專注研發，把一代代的電池及關鍵科研成果貢獻給新能源行業，為能源革命出力。

01

剛進入超導領域沒兩年即轉行做鋰電池

上世紀八九十年代，照亮廣袤中國鄉村夜晚的，更多的是一束束手電筒發出的光，它們逐步取代了火把。而成功實現這種轉變的支撐是手電筒裡面的兩節電池。

本來是去中科院物理研究所進行超導材料研究的黃學傑，去之前自己也不曾想過，會跳到鋰電池領域做研究並紮根於此。

黃學傑與電池結緣的故事，源於1988年中國科學技術大學三十周年校慶活動期間結識了陳立泉老師。當時陳立泉院士的副業是超導材料研究，主業是固態鋰二次電池研發。黃學傑從做測量電池性能的計算機控制自動充放電儀開始，逐漸迷入其中，之後後研究重點就轉向了鋰二次固態電池研究。

從超導行業跳到電池領域，他說自己也常常被人問到：「你一個科學院的科學家研究手電筒裡的東西，有什麼好研究的？」

這完全可以理解，當時研究超導聽起來比研究電池要「高大上」得多。

1980年代末是超導材料研究的大時代，不少一流科學家追逐其中。1986年繆勒和柏諾茲發現陶瓷性金屬氧化物，並榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎；從1986到1987年，短短一年多的時間裡，臨界超導溫度相繼被不同國家的科學家提高了近100K。

但黃學傑隱隱感到，鋰電池的研究距離社會應用更近，緊迫感更強。

由於氧化物高溫超導材料在應用層面未能展開，國內外超導研究項目開始收縮，不少科學家轉入電池材料的研究。高溫超導材料和電池的正極材料均有大量的過渡金屬氧化物候選材料，因此也不難理解當初「跳槽」大軍的選擇方向。

當中有一段時間，黃學傑在荷蘭Delft技術大學讀博，在化工與材料系，他一邊研究超導體在不同的氣氛下的電子導電行為，一邊將氧化物材料作為正極研究，發表了一篇聚合物固態鋰電池的論文。

那個年代，研究與社會應用的結合點，似乎存在一些距離。

至1990年，由於鋰固態電池無法產業化，液態鋰二次電池產品在應用過程中也出現安全事故，該方向的研究也走到了盡頭。

柳暗花明。1991年，索尼宣布推出全球第一款商用鋰離子電池，具備高電壓、體積小、重量輕、使用壽命長等特點。陳立泉院士作為日本東京工業大學的客座教授，獲得一次機會參觀索尼的生產線後，大為觸動。他認為，鋰離子電池將會有巨大的應用前景，一個全新的時代即將來臨。

他火速給中科院的領導寫了信，信中稱：「鋰離子電池必將走向成功，大變革即將來臨。」這引起了國內的重視，一時間，做固態鋰電池的科學家紛紛轉變重點攻堅鋰離子電池。

1995年，陳立泉院士帶著學生在實驗室做出小圓柱電池樣品，但問題也隨之產生：鋰離子電池最終要實現產業化和走向市場，但鋰離子電池的生產工藝和裝備在國內當時是空白。

1996年初，時年不到30歲的黃學傑接任中科院物理所課題組長後，即接受了陳立泉院士交待的任務，將鋰離子電池產業化！

一頭霧水的黃學傑並未見過鋰電池工業化的場景，一籌莫展之際，他回想起在荷蘭時認識的朋友日本松下電池研究部部長近藤博士，當即訪問了位於大阪守口的松下電池研究部，參觀了中試車間，在中科院特批專項經費的支持下，從多家日本裝備企業引進了一批中試設備，包括間歇式轉移塗布機、卷繞機、注液機等，「結合部分國產設備，我們建成了中國第一條鋰離子電池中試線。」

1998年，中國的鋰離子電池開始小批量的生產，首先生產的是18650型圓柱鋰電，推向電視臺記者廣泛使用的廣播級攝像機，至今天，他註冊的「方向」品牌電池仍是該領域的知名品牌，市場份額領先。

從那之後，中國的鋰離子電池產業逐步從3C產品應用走向儲能應用。

02

打破砂鍋問到底 研究新一代鋰電池

長期紮根基礎研究的黃學傑，遇到問題總愛打破砂鍋問到底。

他認為，研究應與應用相結合，要解決應用中出現的問題。鋰離子電池的大規模應用之一是在新能源汽車領域。而電動汽車尚面臨續航裡程不足、價格貴、充電速度慢等三大痛點問題。

「我覺得研究成果的經濟性是很重要的。」黃學傑對《大國之材》表示。

黃學傑了解到，正極材料的成本部分決定了電池整體的成本，其在整個電芯中成本佔比達30%以上。

他決定從正極材料的研發入手。

他發現，早期日本和加拿大的鋰電池研究者嘗試往錳酸鋰摻雜一定量的鎳，把1/4的錳換成鎳的時候，會形成高電壓的平臺，電池工作電壓大幅度提高，這對於提升電池能量密度和降低成本非常重要。

鎳錳酸鋰作為一種高電壓正極材料，其電壓平臺在4.7 V左右，比能量超過600 Wh/kg，由於鎳錳酸鋰材料主要由鎳元素和錳元素組成，不含鈷元素，因此較為環保，成本也較為低廉。他認為，如果取代現在成本最具優勢的磷酸鐵鋰正極材料製造動力電池，單體電池及系統能量密度可提升40%，成本可降低30%。是最有潛力商業化的下一代高電壓正極材料。

但是，他很快遇到瓶頸，原來電壓過高導致電解液被分解，這個問題一直無法突破。高電壓下，尖晶石鎳錳酸鋰電池電極材料與電解液之間劇烈的副反應，以及副產物對整個電池體系的破壞，是限制鎳錳酸鋰材料商業化的最大障礙，這也是不同體系正極材料在未來走向高電壓過程中所遇到的不可避免的難題。

黃學傑不信邪，躍躍欲試。他很快找到了核心問題所在：界面不穩定。只有想辦法將界面穩定下來，這個材料才能用起來。

咬住這個問題不放，黃學傑持續了十幾年時間，從小課題研究開始，到逐漸加大投入，幾千萬到上億的資金砸進中試線，最後研發出表面結構穩定的正極材料與電解液界面膜和耐高電壓的電池體系，具體包含：高電壓正極材料表面改性技術，高電壓鎳錳酸鋰材料電解液開發匹配技術，高電壓輔助配套材料的匹配技術，高電壓輔助配套材料的表面改性技術。

目前三元動力電池，能量密度高，但成本也高；而磷酸鐵鋰電池成本低，但系統能量密度不足。高電壓鎳錳酸鋰則兼具兩者的優勢，預期比目前具有成本優勢的磷酸鐵鋰電池能量密度高出40%，相應成本則降低約30%。

「生產線不用做任何變化。」他通過材料的改變來幫助行業實現降本增效。

「在續航裡程方面，把新能源車不敢開空調的電量給它補上了，電池價格的下降也能讓新能源車突破了補貼的門檻。」黃學傑表示。

黃學傑預計，再有一年左右的時間，部分汽車公司就能用上鎳錳酸鋰電池。

針對新能源車充電速度瓶頸的問題，黃學傑則開發出以錫為主的高密度處理合金，由於鋰離子在錫介質的傳輸速度是其他材質的100倍以上，黃學傑通過把錫做成納米銀線，混入負極中，「等於給鋰離子傳輸修了條高速公路，我希望把充電時間壓縮到10分鐘以內。」

針對這些能改變應用現狀的科研成果，他帶領團隊已成立創業平臺公司啟動產業化。

03

敢於下海 捨得上岸

這不是黃學傑第一次創業。

在開公司這件事上，黃學傑頗有經驗，而且在中科院系統也獲得過重大支持，動力電池產業化起步階段的主要投資人是中科院系的成都地奧集團和聯想控股。

這要從他的研究成果說起。

實際上，黃學傑在高電壓電池方面是早已開展研究，在2000年就通過表面改性，把鈷酸鋰材料穩定循環的充電電壓由4.2V推到4.5V，容量提升30%以上，隨之發表了4.5V高電壓鈷酸鋰的首篇論文。「因為科研人員就是會去做自己有興趣的事情，去做引路人。」

在黃學傑研發4.5V高電壓鈷酸鋰的時候，也有人認為是胡思亂想，說鈷酸鋰從來就只能做到4.2V，脫嵌鋰量大於50%以後材料結構將不穩定。黃學傑偏要向「虎山行」，後面通過納米氧化鋁的界面層修飾解決了難題，證明4.5V以下體相結構穩定性問題不是主要矛盾。

接下來，他將同樣的原理應用到錳酸鋰並解決了錳酸鋰的高溫循環穩定性問題。錳酸鋰價格便宜，更貼近工業化要求。在成都地奧集團等投資人的支持下，2000年黃學傑自任總經理，在石景山區建設動力電池中試基地--北京星恆。

2001年，研究成果剛出來，汽車電池還沒有市場需求，但彼時國內電動自行車數量龐大，有數據顯示，2001年產量達到近60萬輛，生產電動自行車整車企業已超過300家。

老科學家何祚庥先生建議道：「電動自行車仍在用鉛酸蓄電池，笨重而且汙染大，為什麼不設法換成鋰離子電池呢？」中科院領導同意了這個思路。但項目產業化需要的經費令人咂舌。黃學傑伸出了兩個手指頭，「兩億！」

院領導聽完直搖頭：「中科院重大項目經費是2000萬，哪來的2個億？」說歸說，但項目還得做，於是院領導建議聯想集團的柳傳志總裁考慮這個項目。

經過大半年詳盡地市場調研分析，聯想投資入股，在蘇州高新區成立星恆電源啟動動力電池產業化。

儘管剛起步時較為坎坷，但現今的江蘇星恆已成為兩輪車電池的供應巨頭。然而，正當產業化步入正軌，黃學傑卻辭去企業管理職務，他要回到物理所做研究。

令黃學傑哭笑不得的是，為了這個項目產業化，黃學傑挨了中科院兩位主要領導的批評。一位批評他不專心經營企業，老惦記著回物理所搞科研；另一位則批評他不專心搞科研，去外面當總經理。

黃學傑則在《科學日報》的訪談裡說：知識分子要敢於下海，捨得上岸。

「當成果往應用轉化的某些關鍵時段，科學家也必須全身心地投入。」功成之時，黃學傑選擇了身退。他感慨道，經營企業不難找到更有職業經驗的經理人，但各個領域更需要一批優秀的科學家長期耕耘，才能在一代代技術迭代過程中立於不敗之地。「當今面臨複雜的國際形勢，我們感受尤深。」

他覺得科學家是有情懷的，有些東西是永存的，「行業不斷地往前走，我們更希望看到的是，產品技術迭代發展，我們做過的每一個產品都生氣蓬勃。」