文 亞 黃學(xué)杰 朱春麗

中國(guó)科學(xué)院物理研究所 北京 100190

2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了 John. B. Goodenough、Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino，頒獎(jiǎng)的標(biāo)題是“他們創(chuàng)造了一個(gè)可充電的世界”，以表彰他們?yōu)殇囯姵氐陌l(fā)展所作出的貢獻(xiàn)。獲獎(jiǎng)?wù)咧?Goodenough 教授獲獎(jiǎng)時(shí)已 97 歲高齡，也是歷史上諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中最年長(zhǎng)者。從 Goodenough 最早的工作發(fā)表到被授予諾貝爾獎(jiǎng)，經(jīng)歷了 39 年的歷程，這不僅突出了鋰電池研究的科學(xué)重要性，更顯示了近 10 余年來(lái)全球鋰電池產(chǎn)業(yè)的極大發(fā)展，以及所帶來(lái)的對(duì)人類現(xiàn)代社會(huì)生活的重要改變，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)完整的全鏈條式創(chuàng)新。在我國(guó)，從 20 世紀(jì) 90 年代鋰離子電池商品化開(kāi)始，到如今鋰離子電池被廣泛應(yīng)用到消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)都作出了值得稱道的成績(jī)。2018 年全球動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá) 92.5 GWh，同比增長(zhǎng) 45.8%。全球排名前 10 的動(dòng)力電池企業(yè)中，我國(guó)企業(yè)的市場(chǎng)占有率達(dá)到 88.7%；寧德時(shí)代、松下、比亞迪連續(xù) 2 年搶占全球市場(chǎng)前 3 位，其中寧德時(shí)代和比亞迪都是中國(guó)本土企業(yè)[1]。

全鏈條創(chuàng)新涉及科研與產(chǎn)業(yè)，有研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與，往往還有政府參與和引導(dǎo)，目標(biāo)是要形成自主核心技術(shù)，乃至形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[2]。在當(dāng)今時(shí)代，涉及關(guān)鍵核心技術(shù)全鏈條式的創(chuàng)新是國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分，是“買(mǎi)不來(lái)、要不來(lái)、討不來(lái)的”[3]。企業(yè)的創(chuàng)新主體地位和主導(dǎo)作用需要增強(qiáng)[4]，但同時(shí)科研機(jī)構(gòu)也被賦予了創(chuàng)新的重要責(zé)任與使命。對(duì)于國(guó)立科研機(jī)構(gòu)而言，如何實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)技術(shù)的全鏈條式創(chuàng)新，是一個(gè)非常重要且困難的命題。中國(guó)科學(xué)院物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“物理所”）是我國(guó)在鋰離子電池領(lǐng)域從事學(xué)術(shù)研究和參與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)構(gòu)之一。本文主要結(jié)合物理所幾十年來(lái)鋰離子電池從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)化歷程，對(duì)新時(shí)期科研機(jī)構(gòu)探索踐行創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略做了一些粗淺的探討。

1 基礎(chǔ)研究是革命性技術(shù)的重要源頭

基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的總源頭[5]，具備扎實(shí)的基礎(chǔ)研究積累才能衍生出革命性新技術(shù)，鋰離子電池研究同樣如此。關(guān)于鋰離子電池的研究，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)第一句話就如此評(píng)價(jià)：“輕量化、可充電和大功率的電池，現(xiàn)在被用在從移動(dòng)電話、電腦到電動(dòng)汽車等一切東西上。而且它可以用來(lái)存儲(chǔ)太陽(yáng)能和風(fēng)能等，使（人們）擺脫化石能源成為可能?！盵6]諾貝爾獎(jiǎng)備受關(guān)注，細(xì)分諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的百年歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)大類的差異。最大的一類工作是做出了重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，將人們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)推進(jìn)了一步，如X射線、光電效應(yīng)、宇稱不守恒定律、量子霍爾效應(yīng)、引力波等；第二大類的工作是為世界帶來(lái)了革命性的技術(shù)，深刻地改變了社會(huì)，如三極管、巨磁阻效應(yīng)、藍(lán)光半導(dǎo)體等。這些工作一開(kāi)始都屬于基礎(chǔ)研究范疇，選題都源自科學(xué)家的興趣。隨著研究的推進(jìn)，第一類工作的成果取得了科學(xué)界同行的高度認(rèn)可甚至被寫(xiě)進(jìn)了教科書(shū)；而第二類工作則有較明顯的應(yīng)用前景并進(jìn)一步延伸到產(chǎn)業(yè)界，實(shí)現(xiàn)了革命性應(yīng)用，這類工作的鏈條和研究周期往往更長(zhǎng)。例如，巨磁電阻效應(yīng)被授予 2007 年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰“他們?cè)?19 年前各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，為現(xiàn)代信息技術(shù)，特別是為人們今天能使用小型化、大容量的硬盤(pán)以及在各種磁性傳感器和電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用中所作出的奠基性貢獻(xiàn)”[7]。又如，藍(lán)光半導(dǎo)體，在諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)上被如此評(píng)價(jià)——“紅光和綠光二極管已經(jīng)伴隨我們半個(gè)世紀(jì)了，但藍(lán)光才是真正帶來(lái)革命性變化的技術(shù)。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(xué)者在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)界的持續(xù)努力，解決了這個(gè)過(guò)去 30 多年來(lái)一直存在的難題……”[8]。鋰離子電池的工作更加接近第二類的情況。Goodenough 關(guān)于鈷酸鋰正極材料的工作發(fā)表于 1980 年，隨后可商用鋰離子電池系統(tǒng)的研究成果開(kāi)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(gè)可充電鋰離子電池的原型。索尼（Sony）公司在這項(xiàng)成果的基礎(chǔ)上，研究出可實(shí)用的鋰離子電池并于 1991 年開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，標(biāo)志著鋰離子電池時(shí)代的開(kāi)始[9]。

物理所的鋰電池研究可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代——1976 年底，陳立泉①在中國(guó)率先開(kāi)展鋰電池及相關(guān)材料研究。在國(guó)內(nèi)首先研制成功鋰離子電池。解決了鋰離子電池規(guī)?；a(chǎn)的科學(xué)技術(shù)與工程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化。2001年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。2007年獲國(guó)際電池材料協(xié)會(huì)終生成就獎(jiǎng)。赴德國(guó)斯圖加特的馬普協(xié)會(huì)固體所（Max Planck Institute for Solid State Research）進(jìn)修，他很快發(fā)現(xiàn)該所幾乎全都在研究 Li3N 晶體。這是一種被稱為快離子導(dǎo)體的固體材料，據(jù)說(shuō)可以用來(lái)制作汽車的固體電池。這類材料的一個(gè)亞晶格是高度無(wú)序的，具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，其離子電導(dǎo)率很高，與液體電解質(zhì)相近。由此，一個(gè)新的學(xué)科——固體離子學(xué)正在形成。經(jīng)過(guò)思考并征得物理所同意后，陳立泉迅速轉(zhuǎn)到這個(gè)新的學(xué)科方向。1978 年，陳立泉回國(guó)后繼續(xù)研究并成立了固態(tài)離子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，主持并承擔(dān)了中國(guó)科學(xué)院“六五”“七五”和“八五”期間的鋰離子導(dǎo)體研究重大項(xiàng)目。1980 年，物理所關(guān)于離子導(dǎo)體的第一篇文章發(fā)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(dǎo)體中的傳輸行為。1984 年中國(guó)第一部專利法誕生，1987 年物理所申請(qǐng)了第一個(gè)鋰離子電池相關(guān)專利——“鋰型蒙脫石固體電解質(zhì)的制造方法”，并獲得授權(quán)。1986 年 3 月，我國(guó)啟動(dòng)了“863”計(jì)劃，聚合物鋰電池成為重點(diǎn)課題之一，由陳立泉擔(dān)任項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人，組織了全國(guó) 11 個(gè)單位參與鋰電池關(guān)鍵材料研究。

與世界上其他科研機(jī)構(gòu)的著名鋰離子電池研究小組一樣，物理所的“鋰電團(tuán)隊(duì)”始終扎根基礎(chǔ)研究，并與所內(nèi)外的科學(xué)家開(kāi)展非常廣泛的討論與合作，包括納米科學(xué)、電子顯微鏡學(xué)以及理論物理學(xué)等。之后，鋰離子電池研究成為物理所基礎(chǔ)研究板塊中非常重要的一個(gè)部分。1976—2019 年，物理所鋰離子電池研究小組累積發(fā)表了 538 篇文章，申請(qǐng)了 173 項(xiàng)專利。以錳酸鋰為例，物理所團(tuán)隊(duì)第一篇錳酸鋰表面改性的論文發(fā)表于 1994 年，最近一篇文章發(fā)表于 2017 年；截至目前共 32 篇文章，申請(qǐng)專利 6 項(xiàng)。以硅負(fù)極材料為例，物理所團(tuán)隊(duì)第一篇納米硅負(fù)極材料的文章發(fā)表于 1999 年，研究持續(xù)至今；截至目前已發(fā)表文章 43 篇，申請(qǐng)專利 6 項(xiàng)。其中部分文章發(fā)表在 Physical Review B 等期刊上，屬于非常基礎(chǔ)性的研究工作。

得益于國(guó)家各部門(mén)的支持，物理所快離子導(dǎo)體和固態(tài)電池團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)行比較長(zhǎng)周期的基礎(chǔ)研究探索。雖然出現(xiàn)過(guò)資金困難期，但是基礎(chǔ)研究從來(lái)沒(méi)有中斷過(guò)。這為鋰離子電池技術(shù)的研發(fā)和生產(chǎn)提供了知識(shí)、技術(shù)、設(shè)備和人才等全方位的儲(chǔ)備，中國(guó)早期的部分鋰離子電池商業(yè)化極大地得益于這一階段的積累。但是在早期，國(guó)家專門(mén)對(duì)于鋰離子電池研究的投入非常有限，來(lái)自市場(chǎng)的對(duì)于鋰離子電池研究的投入更少。物理所課題組承擔(dān)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(yùn)轉(zhuǎn)和開(kāi)展基礎(chǔ)研究，這種局面一直持續(xù)到 20 世紀(jì) 90 年代初。對(duì)于國(guó)立科研機(jī)構(gòu)來(lái)講，要產(chǎn)生全鏈條式的科研成果，寬松的學(xué)術(shù)氛圍也是另一個(gè)極其重要的因素：因?yàn)樵陂L(zhǎng)周期研究中，如果缺少寬容度，“丑小鴨就沒(méi)有機(jī)會(huì)變成白天鵝”。

2 引導(dǎo)與催化，等待市場(chǎng)需求與技術(shù)進(jìn)步周期疊加的時(shí)間窗口

從 1991 年第一塊商用鋰離子電池出現(xiàn)至今的近 30 年里，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)一直在加速跑，而最近 10 年是高速發(fā)展期。在以中、日、韓三國(guó)為主的角逐中，3 個(gè)國(guó)家的角色在不斷變化。索尼等日本企業(yè)培育了鋰電池的相關(guān)市場(chǎng)，推動(dòng)了智能手機(jī)和純電動(dòng)汽車（EV）等的發(fā)展[10]。目前，全球鋰離子電池產(chǎn)業(yè)主要集中在中、日、韓三國(guó)。從 2015 年開(kāi)始，在中國(guó)大力發(fā)展新能源汽車的帶動(dòng)下，中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模開(kāi)始迅猛增長(zhǎng)，當(dāng)年中國(guó)就已經(jīng)超過(guò)韓、日躍居至全球首位，并逐步拉大差距[11]。相較于日、韓，中國(guó)企業(yè)數(shù)量大，技術(shù)水平參差不齊，主要依靠更高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)逐步進(jìn)入市場(chǎng)，但市場(chǎng)占有率上升緩慢。

除了消費(fèi)電子等需求外，全球?qū)τ诃h(huán)境保護(hù)的生態(tài)需求越來(lái)越突出，這直接加速了鋰離子電池巨大市場(chǎng)的形成。2012 年 7 月以來(lái)，國(guó)務(wù)院印發(fā)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020 年）》，支持以純電動(dòng)汽車為新能源汽車發(fā)展和汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向，重點(diǎn)推進(jìn)純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)化。國(guó)內(nèi)的企業(yè)在動(dòng)力電池領(lǐng)域迅速崛起，登上國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)。中國(guó)新能源汽車 2018 年銷量達(dá)到 125 萬(wàn)輛，占中國(guó)新車銷售比例的 4.4% 以上。全球 2018 年新能源汽車銷量都在加速，主要銷售量達(dá)到 200 萬(wàn)輛。截至 2018 年底，全球新能源汽車?yán)塾?jì)銷售突破 550 萬(wàn)輛，中國(guó)占比超過(guò)了 53%，也為世界范圍內(nèi)的節(jié)能減碳、應(yīng)對(duì)氣候變化作出了新的貢獻(xiàn)[12]。如此巨大而快速發(fā)展的中國(guó)鋰離子電池市場(chǎng)，以及世界最大的本土鋰離子電池制造業(yè)規(guī)模，為國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)參與新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，并獲得相得益彰的、快速而扎實(shí)的發(fā)展提供了機(jī)遇與條件。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，尤其是市場(chǎng)還沒(méi)有形成的時(shí)候，很難清晰地看到幾十年后的局面；或者即便看到了，能否生存下去也尚且未知。因此，在這個(gè)過(guò)程中，不斷地挖掘想象空間，對(duì)于鋰離子電池企業(yè)以及科研機(jī)構(gòu)一步一步走下去非常重要。物理所第一家鋰電池產(chǎn)業(yè)化公司成立于 1997 年，由陳立泉和黃學(xué)杰牽頭發(fā)起，是我國(guó)最早開(kāi)始“吃鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化這只螃蟹”的企業(yè)之一。隨后陳立泉和黃學(xué)杰又牽頭于 1999 年發(fā)起成立北京星恒電源公司，瞄準(zhǔn)動(dòng)力鋰離子電池進(jìn)行開(kāi)發(fā)。應(yīng)該說(shuō)在“吃動(dòng)力電池這只螃蟹”上，物理所也是先行者。在當(dāng)時(shí)我國(guó)汽車普及率還不高的時(shí)候，敢于將動(dòng)力電池瞄準(zhǔn)電動(dòng)自行車和混合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)，物理所的確算得上是先鋒。當(dāng)然，在整體鋰電池歷史的發(fā)展過(guò)程中，第一個(gè)發(fā)展契機(jī)還是來(lái)自消費(fèi)電子領(lǐng)域。尤其是隨著早期以蘋(píng)果、三星等為代表的智能手機(jī)的崛起，在完成了對(duì)前一代數(shù)字電話迭代的同時(shí)，也提出了對(duì)于更大能量密度電池的需求，鋰離子電池由此進(jìn)入飛速發(fā)展期。之后，隨著以特斯拉為代表的電動(dòng)汽車的發(fā)展，國(guó)外各大汽車廠家，以及國(guó)內(nèi)的比亞迪、北汽、上汽、廣汽、江淮等加速布局，徹底拉開(kāi)了鋰離子電池加速發(fā)展的大幕。在新能源汽車行業(yè)的帶動(dòng)下，中國(guó)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入迅速發(fā)展期。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018 年國(guó)內(nèi)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)公開(kāi)報(bào)道的投資項(xiàng)目超過(guò) 110 個(gè)，合同投資金額累計(jì)超過(guò)了 3 300 億元人民幣[11]。

陳立泉在 2006 年中國(guó)工程院咨詢報(bào)告中提出發(fā)展鋰離子電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，又于 2017 年先后提議發(fā)展鋰離子電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)船舶、電動(dòng)飛機(jī)等。對(duì)于科研機(jī)構(gòu)而言，每一次想象空間的擴(kuò)展，都意味著課題組布局的進(jìn)一步完善，而深厚的積累則是其必要前提，否則就是“拿來(lái)主義”，無(wú)本之木。2009—2019 年，物理所固態(tài)離子學(xué)課題組相繼牽頭承擔(dān)了“下一代鋰離子電池材料物理問(wèn)題研究”“長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池項(xiàng)目”“基于復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)的電動(dòng)汽車用固態(tài)鋰離子電池研制”“高安全固態(tài)儲(chǔ)能電池技術(shù)”等一批國(guó)家和地方重大重點(diǎn)項(xiàng)目，深入鋰離子電池研究。2018 年，物理所以 7 835 萬(wàn)元人民幣的價(jià)格出售了蘇州星恒電源有限公司的股權(quán)。該公司相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化歷時(shí) 19 年。雖然產(chǎn)業(yè)化收益額度是有限的，但是參照高風(fēng)險(xiǎn)、高淘汰率的高科技公司產(chǎn)業(yè)化來(lái)說(shuō)，物理所作為國(guó)立研究機(jī)構(gòu)，早期的推動(dòng)示范作用極其明顯，從而吸引了市場(chǎng)力量對(duì)鋰離子電池行業(yè)的關(guān)注和后續(xù)投入。

從某種意義上講，物理所以及從物理所孵化出的企業(yè)，是我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)大環(huán)境的培養(yǎng)者與伴隨者之一，并始終貫穿其中。對(duì)于核心技術(shù)的研發(fā)而言，市場(chǎng)需求與技術(shù)進(jìn)步兩個(gè)周期疊加窗口出現(xiàn)的時(shí)候，創(chuàng)新的鏈條就加速往后生長(zhǎng)直到完成創(chuàng)新的全鏈條，這是“天時(shí)”。在等待“天時(shí)”的過(guò)程中，國(guó)立科研機(jī)構(gòu)可以發(fā)揮引導(dǎo)者和一定的催化劑作用。

3 學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界閉環(huán)交融的生態(tài)支撐，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迭代與進(jìn)化

從 1991 年開(kāi)始，近 30 年來(lái)鋰離子電池研究不斷進(jìn)行持續(xù)的技術(shù)方案的選擇與迭代。鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，離不開(kāi)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界閉環(huán)交融的小生態(tài)；此外，技術(shù)本身的加速迭代發(fā)展也離不開(kāi)這個(gè)生態(tài)的支撐。作為科研機(jī)構(gòu)，物理所開(kāi)始探索相關(guān)技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)界的時(shí)間較早。1996 年 1月，A 型鋰離子電池研究通過(guò)中國(guó)科學(xué)院院級(jí)鑒定；1997 年 9 月，啟動(dòng) 18650 型電池中試，成立北京富利龍電池有限公司；1998 年 8 月，推出 NP2000 廣播級(jí)攝像機(jī)專用鋰離子電池；1998 年 12 月，年產(chǎn) 20 萬(wàn)只 18650 型鋰離子電池中試線通過(guò)驗(yàn)收；1999 年成立北京星恒電源有限公司，吸引成都地奧集團(tuán)等社會(huì)資本共同加入。2003 年 12 月，聯(lián)想入資成立蘇州星恒電源有限公司，開(kāi)始了車用動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，推動(dòng)了長(zhǎng)三角地區(qū)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

科研機(jī)構(gòu)需要主動(dòng)將研究成果推向市場(chǎng)，新技術(shù)的迭代也離不開(kāi)學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)融合的小生態(tài)?？蒲袡C(jī)構(gòu)在技術(shù)迭代中的貢獻(xiàn)表現(xiàn)為多種形式，有時(shí)候是直接的專利授權(quán)，有時(shí)候是技術(shù)方案選擇的判斷，有時(shí)候是關(guān)鍵技術(shù)人才的培養(yǎng)。之所以強(qiáng)調(diào)這種小生態(tài)，是因?yàn)楹芏嗌a(chǎn)工藝問(wèn)題的下層是技術(shù)方案，技術(shù)方案的下層是科學(xué)問(wèn)題。產(chǎn)品性能的提升意味著底層透徹的科學(xué)問(wèn)題的研究，以及對(duì)技術(shù)的深入理解。找準(zhǔn)問(wèn)題，以應(yīng)用為導(dǎo)向，兼顧演進(jìn)式技術(shù)發(fā)展和革命式技術(shù)發(fā)展模式，提出解決方案，是保證產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

以納米硅負(fù)極材料為例，物理所從 1997 年開(kāi)始?xì)v經(jīng)了 20 余年的研發(fā)，從原理上闡明了硅基負(fù)極材料在充放電過(guò)程中的體積形變、表界面反應(yīng)機(jī)理、鋰離子存儲(chǔ)機(jī)理等，為硅負(fù)極材料的理性設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。2010 年，物理所啟動(dòng)納米硅負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化研究，針對(duì)硅負(fù)極材料的問(wèn)題針對(duì)性地提出了多種解決方案。第一代產(chǎn)品“元宵”結(jié)構(gòu)，將硅和碳進(jìn)行復(fù)合，采用碳包覆的工藝。該方案研發(fā)的材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、循環(huán)穩(wěn)定較好的特點(diǎn)，但承壓較低的“短板”限制了其在高比能電池中的應(yīng)用。2013 年以來(lái)，硅負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)獲得了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持，物理所開(kāi)發(fā)了第二代“核桃”結(jié)構(gòu)，提升了硅基負(fù)極材料的性能。然而，該結(jié)構(gòu)首周效率還不夠高，長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的問(wèn)題依然沒(méi)有很好解決。針對(duì)這些問(wèn)題，又通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行改性以及改進(jìn)制造工藝等，研發(fā)了多種結(jié)構(gòu)的材料，如“魚(yú)皮花生”結(jié)構(gòu)等，并持續(xù)不斷改進(jìn)。目前，由物理所李泓牽頭，基于物理所研發(fā)技術(shù)的江蘇溧陽(yáng)天目先導(dǎo)電池材料科技有限公司生產(chǎn)的硅負(fù)極材料已通過(guò)多家優(yōu)勢(shì)電芯企業(yè)的測(cè)評(píng)，形成了穩(wěn)定供貨。2018 年，物理所胡勇勝牽頭建設(shè)世界首座 100 kWh 鈉離子電池儲(chǔ)能電站，標(biāo)志著我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池儲(chǔ)能電站的示范運(yùn)行。

在從基礎(chǔ)研究到技術(shù)升級(jí)的閉環(huán)發(fā)展，以及以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向而產(chǎn)生的產(chǎn)品迭代中，扎實(shí)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究是關(guān)鍵。沒(méi)有這樣的積累，一步即踏空，產(chǎn)業(yè)容易產(chǎn)生斷層。自 20 世紀(jì) 90 年代至今，物理所先后以技術(shù)出資成立了 6 家企業(yè)，估值合計(jì) 3.995 億元人民幣，將多年的應(yīng)用基礎(chǔ)研究積累推向產(chǎn)業(yè)化。

4 培養(yǎng)人才是關(guān)鍵要素，要從學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向市場(chǎng)評(píng)價(jià)

物理所之所以能在這一輪鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展中抓住機(jī)遇，最重要的原因是起步早、積累扎實(shí)并培養(yǎng)了一大批青年鋰離子電池人才。在陳立泉、黃學(xué)杰、李泓、胡勇勝幾代研究人員先后努力下，物理所建立了一個(gè)聚焦鋰離子電池及其關(guān)鍵材料研究的小復(fù)合學(xué)科群，包括凝聚態(tài)物理、電化學(xué)、理論物理、材料科學(xué)等。此外，隨著硅負(fù)極材料、固態(tài)電池、電池診斷測(cè)試平臺(tái)等初創(chuàng)企業(yè)的建立，逐步形成了一個(gè)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界互動(dòng)的良好生態(tài)。

1989—2019 年，物理所鋰離子電池團(tuán)隊(duì)先后培養(yǎng)碩士和博士研究生（含聯(lián)合培養(yǎng)）143 名，平均每年畢業(yè)學(xué)生約 5 人，其中最多的一年培養(yǎng)學(xué)生 17 人；其中，60 余名畢業(yè)生留在高校和研究機(jī)構(gòu)從事教學(xué)科研工作，70 余名畢業(yè)生直接加入到企業(yè)，包括目前世界動(dòng)力電池行業(yè)市場(chǎng)占有率排名第一的企業(yè)——寧德時(shí)代；獲得博士學(xué)位的畢業(yè)生，大部分都從事與鋰離子電池科研或產(chǎn)業(yè)有關(guān)的工作。

物理所在該領(lǐng)域人才培養(yǎng)的目標(biāo)與職業(yè)選擇的契合度非常高。從研究生培養(yǎng)的布局上來(lái)講，鋰離子電池團(tuán)隊(duì)的幾位博士生導(dǎo)師，各自都有明顯的側(cè)重，分別包括鋰離子電池、下一代金屬鋰電池、新型儲(chǔ)能電池、失效機(jī)理研究等方向，并在自己感興趣的方向上持續(xù)培養(yǎng)學(xué)生。這些領(lǐng)域涵蓋了鋰離子電池最主要的幾條技術(shù)路線的方向，并得到不斷完善。因此，在產(chǎn)業(yè)的方向發(fā)生調(diào)整的時(shí)候，總是能夠有相關(guān)的人才補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)接力跑。

隨著國(guó)家關(guān)于科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化配套激勵(lì)政策的落地，廣大科研人員職務(wù)發(fā)明創(chuàng)造轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)得到了充分的認(rèn)可，因此科研人員參與產(chǎn)業(yè)化的積極性被極大地調(diào)動(dòng)起來(lái)了②2015年8月，《中華人民共和國(guó)促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化法》修訂后出臺(tái)；2016年3月，《實(shí)施〈中華人民共和國(guó)促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化法〉若干規(guī)定》出臺(tái)。。但是單憑熱情還不夠，還需要充分地向市場(chǎng)學(xué)習(xí)，尊重市場(chǎng)評(píng)價(jià)，與企業(yè)家做好分工配合，真正將科學(xué)家的才能與企業(yè)家的才能結(jié)合起來(lái)，形成合力，獲得市場(chǎng)的認(rèn)可。物理所鋰離子電池團(tuán)隊(duì)從 1997 年開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于市場(chǎng)評(píng)價(jià)機(jī)制有了充分的了解；在物理所 5—6 年學(xué)習(xí)期間的熏陶，也為希望參與產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的學(xué)生提供了適宜的氛圍和條件。2015 年，物理所與寧德時(shí)代簽訂協(xié)議，共建北方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)合作過(guò)程中不僅僅開(kāi)展了技術(shù)的研發(fā)與交流合作，而且也向行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)學(xué)習(xí)到了市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)的一些規(guī)則。

產(chǎn)品所需要的創(chuàng)新技術(shù)的迭代更新不能僅僅源自實(shí)驗(yàn)室或科學(xué)研究的視角，還要從市場(chǎng)中去尋找。重視創(chuàng)新、善抓機(jī)遇、敏銳的洞察力，是產(chǎn)業(yè)化中不可或缺的因素，要實(shí)現(xiàn)“以人才為本的自由探索型基礎(chǔ)研究”和“以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)的基礎(chǔ)研究”的融合與接力[13]。在研究機(jī)構(gòu)內(nèi)部從事基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的時(shí)候，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)主要還是側(cè)重于學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)；而一旦開(kāi)始公司化運(yùn)行推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)就要及時(shí)地轉(zhuǎn)換為市場(chǎng)評(píng)價(jià)。從學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向市場(chǎng)評(píng)價(jià)，意味著研究工作將會(huì)經(jīng)歷從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工藝開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品研發(fā)等全鏈條和長(zhǎng)周期，這需要一代一代人接力，需要不斷培養(yǎng)人才。只有不斷地培養(yǎng)優(yōu)秀人才，才能實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的穿越，否則很可能在產(chǎn)業(yè)發(fā)展窗口期到來(lái)之前就終止了。

5 進(jìn)一步開(kāi)展前瞻性研究與展望“電動(dòng)中國(guó)”

正如諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)委員會(huì)所說(shuō)的那樣，鋰離子電池研究創(chuàng)造了一個(gè)“可充電的世界”。目前，鋰離子電池的應(yīng)用已經(jīng)極大地改變了我們的生活，從幾乎人手一部的智能手機(jī)，到我國(guó)開(kāi)始大力推動(dòng)的電動(dòng)汽車等。2017 年，陳立泉提出了“電動(dòng)中國(guó)”的概念，其中包括消費(fèi)電子、能源、交通等行業(yè)，這再一次拓展了行業(yè)的想象空間。同時(shí)，對(duì)于國(guó)立研究機(jī)構(gòu)而言，物理所需要再一次開(kāi)啟更進(jìn)一步的前瞻性研究工作。下一代的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，主體將會(huì)繼續(xù)圍繞以下 3 個(gè)方向發(fā)展，同時(shí)也是產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手們爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。

（1）電池的安全性。這是從市場(chǎng)反饋給廠商和研究機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要問(wèn)題，原則上也是一個(gè)“一票否決”的問(wèn)題。每一次智能手機(jī)和電動(dòng)車自燃，消費(fèi)者或者媒體的反饋，都會(huì)引發(fā)一次社會(huì)關(guān)注，同時(shí)引發(fā)一次產(chǎn)品和廠家的洗牌，進(jìn)而影響技術(shù)方案的選擇。為從根源上探索解決電池安全性的問(wèn)題，物理所已經(jīng)布局全固態(tài)電池研發(fā)，創(chuàng)新性地提出了“原位固態(tài)化”方案，發(fā)展混合固液電解質(zhì)電池及全固態(tài)電池技術(shù)，在提升能量密度的同時(shí)提高安全性。目前通過(guò)對(duì)高鎳三元材料進(jìn)行表面改性，所研發(fā)的電池已經(jīng)能通過(guò)“針刺”試驗(yàn)。

（2）電池續(xù)航能力。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，高能量密度是鋰離子電池發(fā)展始終追求的方向，尤其是隨著 5G 應(yīng)用場(chǎng)景的逐漸增加，更多更好使用體驗(yàn)的應(yīng)用的出現(xiàn)，會(huì)對(duì)智能手機(jī)等移動(dòng)終端的續(xù)航能力提出一個(gè)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)需求，也可以說(shuō)是一個(gè)“無(wú)底洞”。在這個(gè)領(lǐng)域物理所已經(jīng)開(kāi)發(fā)高能量密度鋰離子電池，未來(lái)會(huì)在很長(zhǎng)的時(shí)間都是行業(yè)與科研關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是如何破除目前的電動(dòng)車“里程焦慮”的問(wèn)題，以及更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)船舶和電動(dòng)飛機(jī)等，在大交通領(lǐng)域發(fā)揮替代性作用。此外，物理所還布局了兼具高能量密度、高功率密度的電池技術(shù)，從材料設(shè)計(jì)、電芯工藝、性能驗(yàn)證等多方面穩(wěn)步推進(jìn)“雙高”電池的應(yīng)用進(jìn)程，已在無(wú)人機(jī)上開(kāi)展測(cè)評(píng)，續(xù)航時(shí)間提升 20%。

（3）產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)前瞻布局。為了更好地配合前瞻性研究的布局，物理所在北京懷柔科學(xué)城布局了清潔能源材料測(cè)試診斷與研發(fā)平臺(tái)；在廣東省松山湖材料實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了新型鋰離子電池材料研究團(tuán)隊(duì)；在江蘇省溧陽(yáng)市布局了以鋰離子電池應(yīng)用為核心的產(chǎn)業(yè)化基地。同時(shí)，整合京津冀、粵港澳大灣區(qū)以及長(zhǎng)三角地區(qū)的研究與產(chǎn)業(yè)資源，希望能夠?yàn)槲覈?guó)的鋰離子電池以及相關(guān)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在過(guò)去 40 余年里，物理所鋰離子電池研究是一次從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用基礎(chǔ)研究再到實(shí)用化生產(chǎn)的全鏈條式的創(chuàng)新研究工作的探索。從時(shí)間周期上正好處于國(guó)家自改革開(kāi)放以來(lái)科學(xué)技術(shù)研究工作與市場(chǎng)飛速發(fā)展的時(shí)期，取得了一定的成績(jī)。展望新時(shí)代，為了更好地實(shí)踐創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，為建設(shè)世界科技強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)力量，國(guó)立研究機(jī)構(gòu)使命重大。

分析國(guó)立科研機(jī)構(gòu)參與實(shí)踐創(chuàng)新全鏈條的過(guò)程，需要關(guān)注 3 個(gè)必要條件：① 透徹的基礎(chǔ)研究是支撐革命性技術(shù)的根基所在，否則技術(shù)就是無(wú)本之木和無(wú)源之水；② 產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界交融的環(huán)境是科研機(jī)構(gòu)新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化必不可少的土壤，是完成全鏈條后半段必須經(jīng)歷的過(guò)程，市場(chǎng)規(guī)律是關(guān)鍵的法則；③ 考慮到全鏈條創(chuàng)新的長(zhǎng)周期，持續(xù)不斷的人才培養(yǎng)與接力賽是必不可少的保障。全鏈條式創(chuàng)新很難從一開(kāi)始就規(guī)劃出清晰的路徑圖，但是如果具備完整的創(chuàng)新要素，可以促進(jìn)其進(jìn)化或者生長(zhǎng)出來(lái)。

作為國(guó)立科研機(jī)構(gòu)類的研究所而言，最重要的是與政府、企業(yè)等配合，營(yíng)造氛圍和環(huán)境，形成適合的創(chuàng)新生態(tài)，提高成功率、效率并縮短周期，使更多的革命性技術(shù)在我國(guó)產(chǎn)生并成為重要的社會(huì)生產(chǎn)力。