麦立强：纳米新能源创新，应深入挖掘原创成果

刘荣+孙继文

麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授、材料科学与工程试点学院执行院长，国家杰出青年基金获得者、科技部“中青年科技创新领军人才”，入选“国家百千万人才工程”。长期从事纳米能源材料与器件研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线全固态电化学储能器件，取得了多项创新性成果。已发表SCI论文140余篇，以第一或通讯作者发表影响因子9以上论文43篇。14篇入选近十年ESI前1%高被引论文，应Chem. Rev.邀请发表专题综述并入选ESI全球TOP0.1%热点论文。获发明专利36项。主持国家重大科技研究计划课题、国家国际科技合作专项等项目20余项，获湖北省自然科学一等奖（排名第一）、科学中国人（2014）年度人物、湖北青年五四奖章等荣誉称号。

2010年9月，武汉理工大学麦立强教授成功设计组装出国际上第一个单根纳米线全固态电化学储能器件，不仅《自然》亚洲材料网站和德国Nanowerk网站对此进行了专题报道，锂离子电池先驱M.S.Whittingham教授、斯坦福大学Y.Cui教授等世界一流学者也对此给予肯定和关注。

麦立强因此被誉为纳米新能源领域新秀，并因此逐渐走进国际视野。作为目前我国纳米能源材料与器件研究领域的代表人物之一，近期，麦立强接受了本刊专访，对当前纳米新能源研究的热点、难点，以及未来发展前景等大众关注的问题进行了一一解答。

记者：在纳米能源材料领域，您都进行了哪些研究？产生了怎样的意义？

麦立强：我长期从事新能源纳米材料与器件的研究，目前为止在以下领域略有所成：

设计组装了国际上第一个单根纳米线全固态电化学储能器件，通过原位表征建立了纳米线的电输运、结构与电极充放电状态的直接联系，揭示了长期制约电池发展的容量衰减机制。

率先提出通过二次水热预锂化和电沉积预钠化等改善离子扩散和电输运性能的策略，系统地研究了在层状材料层间预嵌入不同尺寸碱金属离子对其电化学性能的影响，极大地提高了储能器件循环寿命。

建立了分级异质、超长分级、分级介孔等复杂纳米线结构构筑方法，提出了石墨烯半中空卷导电缓冲结构等同时提高结构稳定性和电输运性能的策略，大幅改善了储能器件的循环寿命、能量密度和功率密度，突破了高性能纳米线电池电极材料的产业化关键技术，有效推动了世界范围内，纳米储能材料与器件的发展及应用。

记者：您刚提到的单根纳米线电化学器件，在业界引起了强烈反响。它的研究经历是怎样的？

麦立强：2008年6月，我以高级研究学者身份应邀赴哈佛大学跟随纳米科技奠基人、美国科学院院士Charles M.Lieber教授开展研究工作。在这期间，针对电化学能源领域容量衰减快的问题，我率先提出了设计组装单根纳米线电化学器件原位研究容量衰减机制的想法。

这一想法得到了Charles M. Lieber院士的肯定和赞赏。于是，为了制得好的纳米器件，我突破既定研究模式，花了一年多时间，与合作者一起进行反复实验，并对实验结果进行反复验证和推敲，实现了在电化学过程中对电池材料的原位检测，还避免了电池中其他组分，如导电添加剂、粘结剂等对观测结果的影响。最终证明了电导率降低、结构劣化是造成电化学储能材料容量衰减的本质原因。

记者：单根纳米线电化学器件是一个怎样的成果？它的成功对纳米能源材料研究产生了怎样的影响？

麦立强：这种微纳米储能器件，是一种可同时用于原位检测和微纳系统支撑电源的单根纳米线全固态电化学检测平台，它为原位检测储能材料电化学过程提供一种新的策略，具有通用性，可广泛应用于各类电极材料的电化学过程原位检测，为解决储能材料容量衰减快等问题奠定了科学基础。

另外，它还可以为组装集成化微纳自驱动器件和系统提供储能元件，能够极大地促进微纳自驱动器件的发展。

人类生存发展离不开能源，但能源短缺和环境污染也成为当今人类面临的最大挑战之一。

近年来，随着相关研究的不断深入，纳米技术在提高能源利用率、节能环保、新能源开发，特别是再生能源利用中的作用逐渐显现出来。利用纳米材料与纳米效应构筑能源纳米储能器件，已经成为一个新的热点领域。

业内人士表示，纳米能源材料与器件领域的研究，不仅能够带来科学上的创新，同时也对国家能源安全和节能减排有着极为重要的意义。

记者：纳米能源材料是当前比较热门的领域。在您看来，该领域的发展趋势是怎样的？面临哪些挑战？

麦立强：我认为，储能器件的发展趋势大致分为两个方面，一是大规模的储能器件，例如对太阳能与风能的存储；二是微纳储能器件，柔性化或集成自驱动微纳米储能器件等。

高性能的储能器件是新能源汽车、大规模储能、微纳器件等发展的关键，而高能量密度、高功率密度的储能材料又是构筑高性能储能器件的基础。目前，容量衰减快与高能量密度/高功率密度难以兼顾的问题是高性能储能器件发展面临的主要问题。通俗地说，就是电极材料无法满足人们越来越高的需求。

记者：我国纳米新能源研究目前取得了哪些进展？面临的最大挑战是什么？您认为应该如何突破？

麦立强：我国纳米新能源研究正在蓬勃发展，涌现了一批国际知名科学家，在多个国际著名期刊上发表了很多高水平论文，纳米新能源产业的发展也非常迅速。钒系纳米线动力电池材料、硅纳米线电极材料及石墨烯电极材料等在规模化制备方面取得关键性进展，有望实现产业化。

但相较于国际先进水平，我国原创性成果不够深入，科研成果产业化不足，仍然是最大的劣势。而最大的挑战在于各类纳米新能源器件的性能优化机制和衰减机制不明确，缺乏原位表征和本质、普适性的规律，还缺乏关于纳米材料放量生产技术的研发。

针对这些问题，我认为需要加强对本征规律的探究，例如在锂离子电池领域，对离子、电输运、纳米结构变化的实时观察与检测，是提高电极材料性能的重点。但实现起来非常困难，所以这方面的研究应该受到更大的关注。获得本征规律后，进而要对纳米储能材料进行合理设计，从而获得高性能、高稳定性的纳米新能源材料，这是研发高性能纳米新能源器件的基础。endprint

此外，还需要对纳米材料进行放量生产，探究实验室水平与工业化生产水平之间的差异，紧追国际高水平能源器件的步伐，才能使我国纳米新能源产业始终保持领先水平。

我们实验室对钒系纳米线动力电池的放量生产进行了深入探索，建立了产业研发基地，成功建成电极材料中试线和电池生产线，组装了18650电池与电池组。电池批次稳定性能好、加工性能优异，已经进行了装车测试，并取得了良好的进展。

2009年，在麦立强的积极推动和中美双方相互协商下，武汉理工大学—哈佛大学纳米联合重点实验室正式成立。哈佛大学Lieber院士担任实验室主任，麦立强为执行主任。

实验室成立以来，致力于纳米能源材料与器件的研究，包括新能源材料、微纳器件、面向能源的生物微纳电子界面等前沿方向，重点开展了纳米电极材料可控生长、性能调控、器件组装、原位表征、电输运与储能等系统性的基础研究，取得了一系列国际认可的创新成果。

记者：您刚才提到了实验室，当初成立实验室是出于怎样的考虑？

麦立强：主要是希望能在新型纳米材料、生物纳电子界面、新颖高性能纳电子—细胞原料电池等研究领域取得重要突破，推动中美纳米科技领域的合作研究与发展，为我国培养一批纳米科学技术、纳米生物医学技术和新能源材料技术领域的高水平优秀人才。

记者：成立至今，实验室的发展情况如何？近年来取得了哪些成绩？接下来又会有哪些发展规划？

麦立强：目前，在实验室主任Lieber院士的领导和各级领导的帮助下，我们实验室现有教师8名，其中“青年千人计划”入选者和“楚天学子”各一人。目前为止已指导研究生（硕士与博士）60余名，其中留学生3名，已毕业硕士19名、博士4名，推荐10余人前往哈佛、牛津等世界知名高校深造。

我们还有化学气相沉积CVD（Si/Ge Nanowire Growth System）、热蒸发仪、光刻机、电子束光刻机、半导体测试仪、低温真空探针台、手套箱、二维面探测X射线衍射仪、扫描电子显微镜等设备，能很好地支撑纳米材料的合成与表征及器件研制与测试。

至今，实验室发表SCI论文70余篇，获国家发明专利28项，承担国家杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划课题等项目20余项，成功举办第十届中美华人纳米论坛，第一届中法先进材料研讨会等重要会议，也将于2016年6月与Nature、Nature Materials、Nature Energy共同举办《自然》能源材料国际研讨会。

未来，我们将继续建设结构合理、跨学科的一流研究团队，进一步探索纳米储能体系能量运输与储存理论，构筑纳米自驱动系统，实现纳米尺度上的产能储能一体化，积极促进纳米线电极材料的放量生产，实现纳米线电极材料与动力电池的批量制造。

记者：方便透露您目前在研项目的进展和预期目标，以及未来计划吗？

麦立强：目前我主要承担国家杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划课题等项目研究，进展比较顺利。这些项目瞄准世界先进水平，例如国家杰出青年基金项目，目标是要利用微纳储能器件探究复杂结构纳米线的储能机制，实现单体系/多体系纳米线储能器件的集成于纳米线自驱动系统的设计。此外，我们还开展了介孔材料在能源存储器件中的应用研究。

未来，我将结合储能材料研究领域的最新动态，将纳米结构效应与纳米器件技术引入储能材料研究中，为储能材料开辟新的研究领域，并对纳米材料的可控合成与生长机理、纳米材料的结构与性能调控、纳米自驱动系统原型器件等进行深入探索。

记者：您如何看待纳米新能源未来的发展潜力？如何做到创新驱动发展？

麦立强：近年来，纳米产业发展迅速。至2020年，全球纳米产业产值有望达到3万亿美元，而纳米新能源是其中的重要组成部分，由此足以看出其发展前景。纳米新能源是新能源的重要发展方向，同时也存在很多问题亟需解决。因此，纳米新能源领域在未来将会继续成为科学研究与产业生产上的热点，受到大家的广泛关注。

习近平总书记说，科技成果只有同国家需要、人民需求、市场需求相结合，完成从科学研究、实验开发、推广应用的三级跳，才能真正实现创新价值，实现创新驱动发展。

因此，我认为纳米新能源领域的创新，首先要注重原创性成果的深入挖掘，应引导科研人员对研究课题进行独创性、系统性研究，利用自身优势开创新领域，为世界自然科学的发展贡献力量。

其次，要注重产业开发。众所周知，实验室取得的成果在进行工业生产时会遇到不少问题。因此，科研人员需要以解决这些问题为己任，用自己的知识实现真正的创新价值，为国家创造科学技术竞争力，驱动国家发展。

最后，要积极吸引、推动有决心的企业共同开发新技术、新产业，共同驱动国家经济的发展，造福民众。endprint