「35 歲以下科技創新 35 人」中國榜專欄之鋰電池專家孫永明

04-21

自 1999 年起，《麻省理工科技評論》每年都會推出「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35）榜單，旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神，以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家，共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。

2017 年，該全球權威榜單正式推出中國區評選，並已公布並首屆評選結果。現在，《麻省理工科技評論》正式開設「35歲以下創新35人」中國榜單專欄，以人物報道的形式幫助中文讀者了解這些來自中國的新生代科技力量。

孫永明·發明家

「1 萬小時」的鋰電池專家

獲獎年份：2017 年

獲獎時年齡：34 歲

獲獎時職位：華中科技大學武漢光電國家研究中心教授

獲獎原因：專註鋰離子電池材料，開發獨特的正極鋰補償添加劑提高電池能量密度，開發複合型負極材料改善柔性/可拉伸電池關鍵的能量密度、機械強度和穩定性等技術指標。

隨著便攜電子產品和可穿戴電子產品的發展，鋰離子電池等新型儲能器件的研究也借著東風向前推進。鋰離子電池憑著優異的功率密度和能量密度，已經得到了廣泛的應用，我們身邊很多電子產品都採用了鋰離子電池作為供能系統的核心。儘管如此，鋰離子的容量一直受到首次充電的困擾，容量在一開始就會損失一部分。我們現在廣泛使用的鋰離子也被稱為「搖椅電池（Rocking Chair Battery）」，在其的充放電過程中，鋰離子處於從正極-負極-正極的運動狀態，就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就像運動員一樣在搖椅來回奔跑。

電池中鋰離子的多少就決定了鋰離子電池的容量，理想狀況下正極送出多少鋰離子，負極就該送回來多少鋰離子。但在首次充放電的過程中，鋰離子電池的負極會消耗一部分來自正極的鋰離子（一般 10% 左右），這樣最終能回到正極的鋰離子就少了一部分，電池的實際容量和能量密度也會相應減少。

針對這樣的問題，孫永明教授開發了新型的鋰離子電池正極鋰補償添加劑材料。這是一類由超細納米金屬顆粒和鋰化合物（Li2O, LiF 和 Li2S）組成的納米複合材料，能在鋰離子電池首次充電過程中高效補償活性鋰損失，如將 4.8% Li2O/Co 複合材料添加於 LiFePO4 正極，全電池的容量增加了 11%。和傳統富鋰化合物作為正極鋰補償材料相比，該類材料可「捐獻」比容量增加了 2 倍以上；和負極鋰補償材料相比，該類材料具有高的化學和環境穩定性，能夠和工業化的鋰離子電池製備工藝相匹配，具有良好的工業應用前景。孫永明教授將這樣神奇的材料和研究成果發表在國際級能源類頂級期刊《Nature Energy》上，並作為第一作者在文中揭示了其中逆轉化反應的電化學過程。文章一經刊登便受到了引起了國際同行的極大關注，也使得孫永明教授成為儲能電池界的新星。

34 年前，孫永明出生於美麗的江南水鄉——浙江紹興。他是天生勤奮的「學霸」，與同在在這片土地上的大師魯迅一樣，他也刻下了一個「早」字，不過並不是在自己的課桌上，而是在自己的心裡。從小學到初中，班級的鑰匙保管員一直是由孫永明擔任，因為他每天總是班上第一個去學校。也正是這份執著，他的成績一直名列前茅。歷經高考，孫永明帶著自己對科學的熱愛和執著來到了武漢，開始自己在楚地的十年寒窗，依舊的勤奮，依舊的名列前茅。2002 年，孫永明進入中國地質大學材料科學與化學工程學院，開始本科的學習，並在四年之後以優異成績保送本校碩士。在那裡，他似乎總是早別人一步，大三的時候就在學術期刊上以第一作者發表論文，臨近碩士畢業也早早地開始準備博士生入學考試並於 2009 年碩士畢業後以第一名成績考入華中科技大學讀博，拜入黃雲輝教授門下，選擇了鋰離子電池作為自己研究的方向，這也成為他迄今為止奮鬥的主題。

博士期間，孫永明一方面努力地開展科研工作，一方面也早早地開始準備，申請畢業之後進入美國斯坦福大學崔屹教授的課題組中做研究。談起這段經歷，孫永明教授總是將自己的成長環境聯繫起來，覺得雖然從小家庭和成長環境很一般，但是給予了他在學習和生活中遇到問題和困難都想辦法解決、有夢想就去追逐的堅強性格。夢想成真的孫永明博士畢業後前往美國斯坦福大學從事博士後，投入崔屹教授門下，進入了鋰電池「領跑者」的研究團隊中。正是在斯坦福，他從正極材料鋰補償添加劑出發突破了鋰離子電池首次循環容量損失的難題，還針對柔性、可穿戴及可拉伸電子器件所需儲能器件所面臨能量密度低和機械性能差等問題，設計和製備了一種由具有竹子結構的石墨化碳納米纖維組成的柔性自支撐薄膜。用該薄膜直接作為電極製備的柔性固態超級電容器，展現出更高的整體功率和能量密度，並且具有更佳的機械性能，該項成果也被發表在《Nano Letters》上。

此外，孫永明教授突破了可拉伸離子電池用負極材料的選擇限制，利用自癒合高分子的機械可拉伸性和能提高鋰離子電池硅負極材料充放電循環穩定性的特點，設計和開發了一種可拉伸的碳/硅複合負極材料，該材料擁有較傳統可拉伸鋰離子電池用負極材料（鈦酸鋰）3 倍以上的比容量，以及優良的充放電循環穩定性 (100 次循環容量保持率為 81%) 和機械性能（可拉伸至 88%），而其相對較低的負極工作電位也增加了全電池的整體能量密度。

科學界一直有一條「1 萬小時」的真理：「人們眼中的天才之所以卓越非凡，並非天資超人一等，而是付出了持續不斷的努力。1 萬小時的錘鍊是任何人從平凡變成世界級大師的必要條件。」孫永明教授在 4 年的博後研究生涯之中交出了如此驕人的答卷，正是 1 萬小時定律完美的詮釋。成為鋰離子電池專家的孫永明於 2017 年告別斯坦福，並於 2017 年 8 月載譽歸國，成為華中科技大學教授，回到了他夢開始的地方，投身到科研工作和教學工作中，並繼續著自己的研究。

孫永明教授的研究方向主要是電化學儲能材料及器件，在鋰離子電池鋰補償技術、鋰離子電池轉化反應基負極材料、金屬鋰負極材料和固態電解質、柔性/可拉伸儲能材料和器件和鋰硫電池方面取得了重要研究進展，在能源和材料領域國際著名學術期刊上發表論文 52 篇（第一作者論文 21 篇，含 SCI 論文 18 篇），其中不乏眾多國際性頂級期刊 Nature Energy（2 篇；能源類頂級期刊）、Advanced Materials（1 篇）、Energy & Environmental Science（1 篇）、Nano Letters（2 篇）、Advanced Energy Materials (1 篇)、ACS Nano (1 篇)、Advanced Functional Materials (1 篇) 等。

無論是在武漢，還是在美國的斯坦福，孫永明總是那個勤奮的科學研究者，他保持著 20 多年來一直努力學習和科研，每天都會靜下心來安靜地長時間學習和思考，他將中國高校共有的「求真務實」和「求是創新」精神與斯坦福自由、進取的學術風氣融在一起，開始了自己的自主科研的道路。而另一方面，他成為了一名大學教師，在科學研究的同時，承擔著育人乃至知識傳播的責任和擔當。談起自己對研究的願景時，他覺得科學永遠是一項公眾事業，是公益性的，它應該為社會、世界、和全人類服務。孫永明教授從事的研究工作為儲能電池，主要是鋰基可充電電池，研究兼具了科學性和實用性，也有著它歷史的使命。在全球能源與環境問題越來越嚴峻的情況下，交通工具將改用儲能電池為主要動力源；而智能電網，大規模儲能技術也需用到儲能電池。而鋰基可充電電池被認為是高容量，大功率電池的理想之選，也是未來能源和綠色生態的希望。