我國國立科研機構全鏈條式創新的模式研究

中國網／中國發展門戶網訊 2019年諾貝爾化學獎授予了?John. B. Goodenough、Stanley Whittingham?和?Akira Yoshino，頒獎的標題是“他們創造了一個可充電的世界”，以表彰他們為鋰電池的發展所作出的貢獻。獲獎者之一?Goodenough?教授獲獎時已?97?歲高齡，也是歷史上諾貝爾獎獲得者中最年長者。從?Goodenough?最早的工作發表到被授予諾貝爾獎，經歷了?39?年的歷程，這不僅突出了鋰電池研究的科學重要性，更顯示了近?10?余年來全球鋰電池產業的極大發展，以及所帶來的對人類現代社會生活的重要改變，實現了關鍵核心技術完整的全鏈條式創新。在我國，從?20?世紀?90?年代鋰離子電池商品化開始，到如今鋰離子電池被廣泛應用到消費電子、電動汽車和儲能領域，國內科研機構和企業都作出了值得稱道的成績。2018?年全球動力電池裝機量達?92.5?GWh，同比增長?45.8%。全球排名前?10?的動力電池企業中，我國企業的市場占有率達到?88.7%；寧德時代、松下、比亞迪連續?2?年搶占全球市場前?3?位，其中寧德時代和比亞迪都是中國本土企業。

全鏈條創新涉及科研與產業，有研究機構和企業參與，往往還有政府參與和引導，目標是要形成自主核心技術，乃至形成技術標準體系。在當今時代，涉及關鍵核心技術全鏈條式的創新是國家競爭力的重要組成部分，是“買不來、要不來、討不來的”。企業的創新主體地位和主導作用需要增強?，但同時科研機構也被賦予了創新的重要責任與使命。對于國立科研機構而言，如何實現從基礎研究到產業技術的全鏈條式創新，是一個非常重要且困難的命題。中國科學院物理研究所（以下簡稱“物理所”）是我國在鋰離子電池領域從事學術研究和參與產業發展的重要機構之一。本文主要結合物理所幾十年來鋰離子電池從基礎研究到產業化的進化歷程，對新時期科研機構探索踐行創新驅動發展戰略做了一些粗淺的探討。

 基礎研究是革命性技術的重要源頭

基礎研究是科技創新的總源頭，具備扎實的基礎研究積累才能衍生出革命性新技術，鋰離子電池研究同樣如此。關于鋰離子電池的研究，諾貝爾獎委員會第一句話就如此評價：“輕量化、可充電和大功率的電池，現在被用在從移動電話、電腦到電動汽車等一切東西上。而且它可以用來存儲太陽能和風能等，使（人們）擺脫化石能源成為可能?！敝Z貝爾獎備受關注，細分諾貝爾科學獎的百年歷史，會發現有幾個大類的差異。最大的一類工作是做出了重大的科學發現，將人們對自然的認識推進了一步，如X射線、光電效應、宇稱不守恒定律、量子霍爾效應、引力波等；第二大類的工作是為世界帶來了革命性的技術，深刻地改變了社會，如三極管、巨磁阻效應、藍光半導體等。這些工作一開始都屬于基礎研究范疇，選題都源自科學家的興趣。隨著研究的推進，第一類工作的成果取得了科學界同行的高度認可甚至被寫進了教科書；而第二類工作則有較明顯的應用前景并進一步延伸到產業界，實現了革命性應用，這類工作的鏈條和研究周期往往更長。例如，巨磁電阻效應被授予?2007?年度諾貝爾物理學獎，表彰“他們在?19?年前各自獨立發現了巨磁電阻效應，為現代信息技術，特別是為人們今天能使用小型化、大容量的硬盤以及在各種磁性傳感器和電子學領域的發展和應用中所作出的奠基性貢獻”。又如，藍光半導體，在諾貝爾獎官網上被如此評價——“紅光和綠光二極管已經伴隨我們半個世紀了，但藍光才是真正帶來革命性變化的技術。只有這三原色的燈光才能形成白光，照亮我們的世界。這?3?位學者在學術研究和工業界的持續努力，解決了這個過去?30?多年來一直存在的難題……”。鋰離子電池的工作更加接近第二類的情況。Goodenough?關于鈷酸鋰正極材料的工作發表于?1980?年，隨后可商用鋰離子電池系統的研究成果開始積累。這些正極材料的研究成果，最終指引吉野彰（Akira Yoshino）于?1983?年制備出了第一個可充電鋰離子電池的原型。索尼（Sony）公司在這項成果的基礎上，研究出可實用的鋰離子電池并于?1991?年開始商業化生產，標志著鋰離子電池時代的開始。

物理所的鋰電池研究可以追溯到?20?世紀?70?年代——1976?年底，陳立泉赴德國斯圖加特的馬普協會固體所（Max Planck Institute for Solid State Research）進修，他很快發現該所幾乎全都在研究?Li3N?晶體。這是一種被稱為快離子導體的固體材料，據說可以用來制作汽車的固體電池。這類材料的一個亞晶格是高度無序的，具有獨特的物理性質，其離子電導率很高，與液體電解質相近。由此，一個新的學科——固體離子學正在形成。經過思考并征得物理所同意后，陳立泉迅速轉到這個新的學科方向。1978?年，陳立泉回國后繼續研究并成立了固態離子學實驗室，主持并承擔了中國科學院“六五”“七五”和“八五”期間的鋰離子導體研究重大項目。1980?年，物理所關于離子導體的第一篇文章發表，題為?Lithium Ionic Conductivity of LISICON Single Crystals。這篇文章主要研究了鋰離子在鍺酸鋅鋰（LISICON）型單晶離子導體中的傳輸行為。1984?年中國第一部專利法誕生，1987?年物理所申請了第一個鋰離子電池相關專利——“鋰型蒙脫石固體電解質的制造方法”，并獲得授權。1986?年?3?月，我國啟動了“863”計劃，聚合物鋰電池成為重點課題之一，由陳立泉擔任項目總負責人，組織了全國?11?個單位參與鋰電池關鍵材料研究。

與世界上其他科研機構的著名鋰離子電池研究小組一樣，物理所的“鋰電團隊”始終扎根基礎研究，并與所內外的科學家開展非常廣泛的討論與合作，包括納米科學、電子顯微鏡學以及理論物理學等。之后，鋰離子電池研究成為物理所基礎研究板塊中非常重要的一個部分。1976—2019?年，物理所鋰離子電池研究小組累積發表了?538?篇文章，申請了?173?項專利。以錳酸鋰為例，物理所團隊第一篇錳酸鋰表面改性的論文發表于?1994?年，最近一篇文章發表于?2017?年；截至目前共?32?篇文章，申請專利?6?項。以硅負極材料為例，物理所團隊第一篇納米硅負極材料的文章發表于?1999?年，研究持續至今；截至目前已發表文章?43?篇，申請專利?6?項。其中部分文章發表在?Physical Review B?等期刊上，屬于非?；A性的研究工作。

得益于國家各部門的支持，物理所快離子導體和固態電池團隊能夠進行比較長周期的基礎研究探索。雖然出現過資金困難期，但是基礎研究從來沒有中斷過。這為鋰離子電池技術的研發和生產提供了知識、技術、設備和人才等全方位的儲備，中國早期的部分鋰離子電池商業化極大地得益于這一階段的積累。但是在早期，國家專門對于鋰離子電池研究的投入非常有限，來自市場的對于鋰離子電池研究的投入更少。物理所課題組承擔了很多非鋰離子電池研究方向的課題，目的就是獲得足夠的資源維持課題組運轉和開展基礎研究，這種局面一直持續到?20?世紀?90?年代初。對于國立科研機構來講，要產生全鏈條式的科研成果，寬松的學術氛圍也是另一個極其重要的因素：因為在長周期研究中，如果缺少寬容度，“丑小鴨就沒有機會變成白天鵝”。