2019 年 12 月 14 日，《麻省理工科技評(píng)論》公布了 2019 年“35 歲以下創(chuàng)新35 人”（Innovators Under 35 China）中國(guó)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(lǐng)域方面堅(jiān)持科研使命的獲獎(jiǎng)人，也看到更多散布在海外頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們，用自身不改初心的堅(jiān)持努力，取得了世界級(jí)標(biāo)竿成就的科研成果，其中有超過半數(shù)以上的獲獎(jiǎng)?wù)?，都取得了世界?jí)的突破性研究成果與發(fā)現(xiàn)。我們將陸續(xù)發(fā)出對(duì) 35 位獲獎(jiǎng)?wù)叩莫?dú)家專訪，介紹他們的科技創(chuàng)新成果與經(jīng)驗(yàn)，以及他們對(duì)科技趨勢(shì)的理解與判斷。
自 1999 年起，《麻省理工科技評(píng)論》每年都會(huì)推出“35歲以下創(chuàng)新35人”（Innovators Under 35 China）榜單，旨在于全球范圍內(nèi)評(píng)選出被認(rèn)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)新者或企業(yè)家，共分為發(fā)明家、創(chuàng)業(yè)家、遠(yuǎn)見者、人文關(guān)懷者及先鋒者五類。2017 年，該榜單正式推出中國(guó)區(qū)評(píng)選，遴選中國(guó)籍的青年科技創(chuàng)新者。新一屆 2020 年度榜單正在征集提名與報(bào)名，截止時(shí)間 2020 年 6 月 30 日。詳情請(qǐng)見文末。
劉凱憑借其在鋰離子電池領(lǐng)域取得的一系列成果，榮膺 2019 年《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國(guó)區(qū)得主。
獲獎(jiǎng)時(shí)年齡：32 歲
獲獎(jiǎng)時(shí)職位：清華大學(xué)助理教授獲獎(jiǎng)理由：他從事高安全性鋰離子電池的科研工作，系統(tǒng)研究了鋰離子電池的熱失控機(jī)理，在材料層面提出了提高鋰離子安全性的一系列新方法。
鋰離子電池是電動(dòng)汽車、便攜式設(shè)備、能源儲(chǔ)存等領(lǐng)域最重要的技術(shù)之一?？梢哉f，沒有鋰離子電池，就沒有移動(dòng)的智能生活，人類應(yīng)對(duì)氣候變化的努力也將缺少一個(gè)重要的幫手。
然而，從鋰離子電池技術(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。不論是被各大航空公司拒絕的三星 note 7，還是時(shí)常聽聞的電動(dòng)汽車自燃事故，這背后反映出的都是同一個(gè)問題：鋰離子電池太容易熱失控了。
清華大學(xué)化學(xué)工程系助理教授劉凱，從事的就是高安全性鋰離子電池的科研工作。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(dòng)汽車、手機(jī)等擺脫著火的命運(yùn)。
劉凱本科就讀于吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院。這里氛圍踏實(shí)、培養(yǎng)系統(tǒng)、教學(xué)嚴(yán)格，是很多頂尖化學(xué)人才的搖籃。之后，他進(jìn)入清華大學(xué)化學(xué)系攻讀博士學(xué)位，并斬獲了清華大學(xué)的最高榮譽(yù)——每年僅在全校范圍內(nèi)獎(jiǎng)勵(lì) 10 名研究生的清華大學(xué)特等獎(jiǎng)學(xué)金。
博士畢業(yè)后，劉凱赴美國(guó)斯坦福大學(xué)開展博士后研究工作。劉凱回憶道，斯坦福是一個(gè)十分多元開放的地方。學(xué)校內(nèi)部不同科系之間的界限很不明顯，電子、機(jī)械、材料、化學(xué)、物理的人都在同一個(gè)樓里做實(shí)驗(yàn)，連吃飯交流的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生很多交叉的想法。而實(shí)驗(yàn)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。他在鋰離子電池安全領(lǐng)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作用自組裝形成的材料，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)、自我修復(fù)等特殊的優(yōu)異性能。但對(duì)于博士后期間要研究的鋰離子電池，其實(shí)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(shí)，引入到了鋰離子電池的研究之中，在本質(zhì)上大幅提高了鋰離子電池的安全性。
他首先深入系統(tǒng)地分析了鋰離子電池出現(xiàn)熱失控的機(jī)理，并把它分成了“萌芽”“蔓延”“爆發(fā)”三個(gè)階段。以鋰離子電池安全最大的威脅之一——鋰枝晶生長(zhǎng)為例：在低溫充電、快速充電等情況下，電極材料上會(huì)生長(zhǎng)出樹枝狀的金屬鋰枝晶，這便是鋰離子電池?zé)崾Э氐摹懊妊俊彪A段。之后，在“蔓延”階段，鋰枝晶會(huì)逐漸刺破正負(fù)電極之間起絕緣作用的薄膜，進(jìn)而在“爆發(fā)”階段造成電池的內(nèi)短路、起火和爆炸。
針對(duì)三個(gè)階段各自不同的特征，劉凱設(shè)計(jì)出了不同的材料，構(gòu)建出防止鋰離子電池?zé)崾Э氐摹叭婪谰€”。
在 “萌芽”階段，劉凱引入了動(dòng)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(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的高分子，涂在了鋰金屬的表面。這個(gè)涂層本來是軟的，但當(dāng)鋰枝晶生長(zhǎng)起來、戳到涂層后，會(huì)激發(fā)出硼酸酯動(dòng)態(tài)共價(jià)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產(chǎn)生，而副作用卻很少。
如果鋰枝晶突破了第一道防線，刺入了隔膜，電池的熱失控就進(jìn)入了“蔓延”階段，劉凱的第二道防線就要起作用了。他提出了一種名叫“反應(yīng)-保護(hù)”型隔膜的新機(jī)理，在隔膜上面加了一些化學(xué)物質(zhì)，可以把進(jìn)入隔膜的具有高化學(xué)活性的鋰金屬“吃掉”。這種利用化學(xué)淬滅減緩鋰枝晶生長(zhǎng)速率的方式，將鋰金屬負(fù)極的使用壽命延長(zhǎng)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(yīng)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(huì)大大降低電池在正常運(yùn)行時(shí)的電化學(xué)性能。而劉凱想到的解決方案，是把防火劑裝進(jìn)用電化學(xué)惰性、熔點(diǎn)低的含氟共聚物制成的微型外殼之中。正常充放電時(shí)，高分子外殼能夠阻隔防火劑與電解液接觸，減小防火劑對(duì)電池性能的負(fù)面影響；而當(dāng)電池發(fā)生熱失控導(dǎo)致溫度升高時(shí)，外殼則會(huì)受熱熔化，像滅火器一樣把防火劑噴出來，釋放到電解液中，起到抑制燃燒的作用。在不影響鋰離子電池性能的前提下，他將電解液自熄滅的時(shí)間縮短了近 30 倍。這種思路讓鋰離子電池同時(shí)兼具高電化學(xué)性能和良好的安全性成為了可能。
劉凱表示，影響鋰離子電池安全性的因素非常多，自己只是提供了一個(gè)框架和思路，將來肯定還有很多可以做的?！翱蒲惺俏覀儓?bào)效祖國(guó)的方式。希望世界能因?yàn)槲覀兊难芯砍晒l(fā)生一些好的改變，這是科研工作者的使命?！?
