我国国立科研机构全链条式创新的模式研究

中国网／中国发展门户网讯 2019年诺贝尔化学奖授予了 John. B. Goodenough、Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino，颁奖的标题是“他们创造了一个可充电的世界”，以表彰他们为锂电池的发展所作出的贡献。获奖者之一 Goodenough 教授获奖时已 97 岁高龄，也是历史上诺贝尔奖获得者中最年长者。从 Goodenough 最早的工作发表到被授予诺贝尔奖，经历了 39 年的历程，这不仅突出了锂电池研究的科学重要性，更显示了近 10 余年来全球锂电池产业的极大发展，以及所带来的对人类现代社会生活的重要改变，实现了关键核心技术完整的全链条式创新。在我国，从 20 世纪 90 年代锂离子电池商品化开始，到如今锂离子电池被广泛应用到消费电子、电动汽车和储能领域，国内科研机构和企业都作出了值得称道的成绩。2018 年全球动力电池装机量达 92.5 GWh，同比增长 45.8%。全球排名前 10 的动力电池企业中，我国企业的市场占有率达到 88.7%；宁德时代、松下、比亚迪连续 2 年抢占全球市场前 3 位，其中宁德时代和比亚迪都是中国本土企业。

全链条创新涉及科研与产业，有研究机构和企业参与，往往还有政府参与和引导，目标是要形成自主核心技术，乃至形成技术标准体系。在当今时代，涉及关键核心技术全链条式的创新是国家竞争力的重要组成部分，是“买不来、要不来、讨不来的”。企业的创新主体地位和主导作用需要增强 ，但同时科研机构也被赋予了创新的重要责任与使命。对于国立科研机构而言，如何实现从基础研究到产业技术的全链条式创新，是一个非常重要且困难的命题。中国科学院物理研究所（以下简称“物理所”）是我国在锂离子电池领域从事学术研究和参与产业发展的重要机构之一。本文主要结合物理所几十年来锂离子电池从基础研究到产业化的进化历程，对新时期科研机构探索践行创新驱动发展战略做了一些粗浅的探讨。

 基础研究是革命性技术的重要源头

基础研究是科技创新的总源头，具备扎实的基础研究积累才能衍生出革命性新技术，锂离子电池研究同样如此。关于锂离子电池的研究，诺贝尔奖委员会第一句话就如此评价：“轻量化、可充电和大功率的电池，现在被用在从移动电话、电脑到电动汽车等一切东西上。而且它可以用来存储太阳能和风能等，使（人们）摆脱化石能源成为可能。”诺贝尔奖备受关注，细分诺贝尔科学奖的百年历史，会发现有几个大类的差异。最大的一类工作是做出了重大的科学发现，将人们对自然的认识推进了一步，如X射线、光电效应、宇称不守恒定律、量子霍尔效应、引力波等；第二大类的工作是为世界带来了革命性的技术，深刻地改变了社会，如三极管、巨磁阻效应、蓝光半导体等。这些工作一开始都属于基础研究范畴，选题都源自科学家的兴趣。随着研究的推进，第一类工作的成果取得了科学界同行的高度认可甚至被写进了教科书；而第二类工作则有较明显的应用前景并进一步延伸到产业界，实现了革命性应用，这类工作的链条和研究周期往往更长。例如，巨磁电阻效应被授予 2007 年度诺贝尔物理学奖，表彰“他们在 19 年前各自独立发现了巨磁电阻效应，为现代信息技术，特别是为人们今天能使用小型化、大容量的硬盘以及在各种磁性传感器和电子学领域的发展和应用中所作出的奠基性贡献”。又如，蓝光半导体，在诺贝尔奖官网上被如此评价——“红光和绿光二极管已经伴随我们半个世纪了，但蓝光才是真正带来革命性变化的技术。只有这三原色的灯光才能形成白光，照亮我们的世界。这 3 位学者在学术研究和工业界的持续努力，解决了这个过去 30 多年来一直存在的难题……”。锂离子电池的工作更加接近第二类的情况。Goodenough 关于钴酸锂正极材料的工作发表于 1980 年，随后可商用锂离子电池系统的研究成果开始积累。这些正极材料的研究成果，最终指引吉野彰（Akira Yoshino）于 1983 年制备出了第一个可充电锂离子电池的原型。索尼（Sony）公司在这项成果的基础上，研究出可实用的锂离子电池并于 1991 年开始商业化生产，标志着锂离子电池时代的开始。

物理所的锂电池研究可以追溯到 20 世纪 70 年代——1976 年底，陈立泉赴德国斯图加特的马普协会固体所（Max Planck Institute for Solid State Research）进修，他很快发现该所几乎全都在研究 Li3N 晶体。这是一种被称为快离子导体的固体材料，据说可以用来制作汽车的固体电池。这类材料的一个亚晶格是高度无序的，具有独特的物理性质，其离子电导率很高，与液体电解质相近。由此，一个新的学科——固体离子学正在形成。经过思考并征得物理所同意后，陈立泉迅速转到这个新的学科方向。1978 年，陈立泉回国后继续研究并成立了固态离子学实验室，主持并承担了中国科学院“六五”“七五”和“八五”期间的锂离子导体研究重大项目。1980 年，物理所关于离子导体的第一篇文章发表，题为 Lithium Ionic Conductivity of LISICON Single Crystals。这篇文章主要研究了锂离子在锗酸锌锂（LISICON）型单晶离子导体中的传输行为。1984 年中国第一部专利法诞生，1987 年物理所申请了第一个锂离子电池相关专利——“锂型蒙脱石固体电解质的制造方法”，并获得授权。1986 年 3 月，我国启动了“863”计划，聚合物锂电池成为重点课题之一，由陈立泉担任项目总负责人，组织了全国 11 个单位参与锂电池关键材料研究。

与世界上其他科研机构的著名锂离子电池研究小组一样，物理所的“锂电团队”始终扎根基础研究，并与所内外的科学家开展非常广泛的讨论与合作，包括纳米科学、电子显微镜学以及理论物理学等。之后，锂离子电池研究成为物理所基础研究板块中非常重要的一个部分。1976—2019 年，物理所锂离子电池研究小组累积发表了 538 篇文章，申请了 173 项专利。以锰酸锂为例，物理所团队第一篇锰酸锂表面改性的论文发表于 1994 年，最近一篇文章发表于 2017 年；截至目前共 32 篇文章，申请专利 6 项。以硅负极材料为例，物理所团队第一篇纳米硅负极材料的文章发表于 1999 年，研究持续至今；截至目前已发表文章 43 篇，申请专利 6 项。其中部分文章发表在 Physical Review B 等期刊上，属于非常基础性的研究工作。

得益于国家各部门的支持，物理所快离子导体和固态电池团队能够进行比较长周期的基础研究探索。虽然出现过资金困难期，但是基础研究从来没有中断过。这为锂离子电池技术的研发和生产提供了知识、技术、设备和人才等全方位的储备，中国早期的部分锂离子电池商业化极大地得益于这一阶段的积累。但是在早期，国家专门对于锂离子电池研究的投入非常有限，来自市场的对于锂离子电池研究的投入更少。物理所课题组承担了很多非锂离子电池研究方向的课题，目的就是获得足够的资源维持课题组运转和开展基础研究，这种局面一直持续到 20 世纪 90 年代初。对于国立科研机构来讲，要产生全链条式的科研成果，宽松的学术氛围也是另一个极其重要的因素：因为在长周期研究中，如果缺少宽容度，“丑小鸭就没有机会变成白天鹅”。