Wiley人物访谈——东北师范大学吴兴隆教授

人物访谈

“双碳”目标的提出,把我国的绿色发展之路提升到新的高度,成为我国未来数十年内社会经济发展的主基调之一。在二次电池大规模使用的同时,废旧电池所带来的环境污染和资源浪费成为科学家们亟待解决的问题。本期WILEY人物访谈,我们邀请东北师范大学吴兴隆教授为读者们畅谈他在二次电池研发以及废旧电池回收技术方向的研究心得,并分享他的科研故事。

人物简介

吴兴隆,东北师范大学教授,教育部“长江学者奖励计划”青年学者;主要从事电池储能材料、废旧锂电回收与再利用等研究工作。提出了电极材料中大尺寸阴/阳离子稳定脱嵌新途径并阐明了其工作机制;发展了高效碳基电荷传导网络构筑策略,开发了系列高性能电极材料;提出了废旧锂电池电极材料的绿色再利用新思路。已以通讯作者身份发表了研究论文140多篇;高水平代表性论文包括《Adv. Mater.》(8篇)、《Angew. Chem. Int. Ed.》(3篇)、《Sci. Bull.》、《Mater. Today》、《Energy Environ. Sci.》、《Adv. Energy/Funct. Mater.》(15篇)和《Energy Storage Mater.》(4篇)等;发表的论文被他人引用超过1.3万次,H指数为60;已获授权发明专利17项;主持了国家自然科学基金重大研究计划等科研项目十余项。曾获教育部自然科学一等奖和中国科学院科技成果转化二等奖等科技奖励;培养的学生中,已有2人获得“博新计划”、6人获得省级优秀博士/硕士学位论文、30多人次获得校优秀毕业生、国家奖学金等奖励和荣誉。

科研访谈

MVC:请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作?

吴兴隆(WXL):目前,本课题组的研究工作主要集中在“废旧锂离子电池的回收与再利用”与“先进金属离子电池材料”两个方面。锂离子电池已被成熟地使用了三十余年,大量废旧电池正在产生,如得不到合理的回收和再利用,必将会带来巨大的环境污染和资源浪费。基于此,本课题组希望能够在实现废旧锂离子电池绿色化回收与再利用的同时,开发高性能的下一代先进电池材料,在“废旧锂电”和“未来先进电池”之间架起一座“变废为宝”的桥梁,实现电池储能的全生命周期完美衔接。

MVC:您关于将高熵效应应用于钠离子电池氟磷酸盐(NVPF)正极材料的工作发表在Wiley的旗舰期刊Advanced Materials》(Adv. Mater. 2022, 2110108。能为读者们分享设计高熵NVPF正极材料的灵感来源吗?

WXL对于发展得已较为成熟的电池体系,革新性电极材料的开发,是进一步提升其性能、实现更广泛应用的关键。对于钠离子电池,表现出明显应用前景的正极材料主要集中在氧化物、磷酸盐和普鲁士蓝类化合物这三类材料上。虽然它们分别有着突出的优点,但各自的缺点也较为明显。以本文研究的磷酸盐正极为例,具有晶格稳定、循环性能优异等突出优势,是开发长寿命、高安全钠离子电池的首选正极材料。然而,复杂的基本结构单元、大的电化当量和低的电子导电性,限制了其能量密度和快速充放电能力的提升。因此,为了开发革新性的磷酸盐正极材料,我们想到了已在合金、催化等领域被广泛证实有效性,但在电极材料中还研究较少的高熵化策略。通过长时间的系统性实验探究,最终在氟磷酸盐正极材料中首次发现了期望的高熵效应,抑制了低电压区的不良相变和放电行为,相应地提升了高电压区的可逆比容量,从而实现了更高的平均放电电压和能量密度,开发了一类优异的无碳高熵正极材料。

MVC:前面提到了您在Wiley旗下的期刊上发表了多篇论文,最让您欣赏的是哪篇?为什么?

WXL除了前面提到的高熵磷酸盐正极材料,另外一篇让我很喜欢的工作是去年发表的《Angewandte Chemie International Edition》(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (51), 26837)。众所周知,目前碱金属离子电池中使用的电解液仍然主要是碳酸酯类体系。相比之下,醚类电解液虽然获得了一定的关注,但主要集中在对电压要求不太高的锂硫电池、负极材料研究等方向上。这主要是源于醚类溶剂的高电压不稳定性,严重研制了醚类电解液在高电压正极和全电池中的应用。基于此,针对本课题组长期研究的高电压磷酸盐正极材料(Adv. Mater. 2017, 29, 1701968, Sci. Bull. 2020, 65, 702, InfoMat 2021, 3, 694, Cell Rep. Phys. Sci. 2021, 2, 100665和Mater. Today 2022, J. Mattod. 2022.02.013等),通过调节配位状态设计了与之匹配的醚类电解液,突破了醚类电解液高电压不稳定性的限制,开发了相应钠离子全电池(石墨//氟磷酸盐、硬碳//氟磷酸盐),丰富了钠离子电池体系及其应用领域,也为醚类电解液应用于其他高电压正极材料提供了参考和可能性。

MVC:您在废旧电池材料回收方面也开展了大量的工作,您认为废旧电池的直接回收方法面临着哪些挑战?现阶段的解决思路是什么?

WXL废旧电池的回收问题,是推进电池储能全生命周期可持续性发展的一个重要研究课题。从锂离子电池商品化应用后不久,废旧锂电池的回收就受到来自清华大学、北京理工大学等高校的科学家们的前瞻性关注和研究。不过,近年来锂离子电池的大规模化报废,才真正地将该课题推向了电池研究的最前端。我认为,废旧电池的良好处理,是一个涉及资源、环境、民生和资本等多角度协同推进的综合性交叉问题。现阶段,关注得最多的还是废旧电池中金属元素的资源化再利用问题,希望能够将废旧电池中的高价值研究提取和回收。然而,随着研究和工业化过程的深入,我认为,回收过程的绿色化,即避免回收带来二次污染、实现回收的高效率、低能耗和集成化等,将是我们需要重点关注和探讨的问题。对于废旧电池材料的直接回收与再利用方案,面临的主要挑战包括废旧电池来源多样化和不确定性、再生策略有效性和普适性、再生材料的性能水平和适用性等方面。

MVC:从长春到北京再回到长春,从大学到研究所再回到大学,丰富的求学和工作经历为您的生活和科研工作带来了什么影响?

WXL相比于大多优秀科研工作者们求学、供职于世界多地的经历,我的求学和工作经历应该要简单很多。通过高考来到东北师范大学本科学习以来,我就一直在北方学习、工作和生活。现在想想,除了这颗无辣不欢的四川胃之外,我现在应该更适应北方的生活:热爱东北这片黑土地,她的率真豪爽练就了我无拘无束的性格;皑皑白雪赐予了我心平气和的时刻;喜欢文化厚重、繁华包容的北京,让我多了些许沉稳内敛,少了几分心浮气盛。我现在的工作单位,东北师范大学,被誉为“人民教师的摇篮”,在校训“勤奋创新、为人师表”的引领下,以身作则地努力培养好每一位学生,是作为高校教师的我的主要工作任务和责任。曾经在中科院化学所的严谨严格的科研经历,以及由南到北的社会生活熏陶,让我能够较为得心应手地应对当前高校教师这一职业角色。

MVC:在您的人生经历中对您影响较大的人是谁(们)?

WXL人生的成长和进步,是一个连续的每个阶段都不可或缺的过程。眼前的自己,一定是几十年来生长、学习、工作和生活的积累,每个阶段都有对我帮助很大、我要感谢的人。包括我的亲人、师长和关系亲密的朋友们。我是一个喜欢模仿学习的人,他们的一言一行都对我产生了较大的影响。当然,对我影响最大的人,还是我的奶奶。虽然她未受过一天的课堂教育,识不得半个大字,但在我幼年时,她就将“努力学习、不怕辛苦”的思想印入了我的脑海,让我受益终身。

MVC:您在选择研究生的时候有什么标准?对有志从事科学研究的同学们有什么建议?

WXL对于研究生的选择,我没有特别的标准和要求。现在回头想想,从2013年开始招收的每一届研究生,大部分都还是靠缘分而较为随机地加入我的团队。就像我在组会上经常给学生们说到的:缘分使咱们走到了一起,组成了一个大家庭。希望我们每一个成员能够和睦共处、通力合作,开心愉快地学习和工作三年或六年,结下一生的友谊和情分。

虽然科研的道路充满了坎坷、布满了荆棘,但也会为我们带来无尽的惊喜、挑战和收获。进入研究生阶段,就一定要摆脱被安排式的学习,进行自由自主的探索,未来将充满无限的可能和快乐。我建议有志于从事科学研究的同学们,一定要保持一颗“利用已知知识探索未知世界”的好奇心和上进心;要围绕国家重大需求或重要科学问题,选择具有高研究价值的课题进行坚持不懈的研究,而不能一味地追求热点、过于频繁地改变研究课题;要尽快进入不怕吃苦、勤奋努力、勇于钻研的科研状态。

MVC:科研工作之余,您如何平衡生活和工作?您最大的爱好是什么?

WXL科学研究和教书育人是我喜欢做的事情,已经融入成为了我人生的一个重要组成部分。家人对我的工作很支持,使我基本不需要特意地考虑平衡生活和工作的问题。按照每天的作息时间,规律性地努力工作和照顾家庭,是最大的幸福和满足。在我为数不多的兴趣爱好中,我最喜欢的时刻就是倾听别人的聊天,这应该是小时候在院子里乘凉时听长辈们谈天说地而养成的一个习惯吧。