跟電池較勁的中科院院士陳軍：從好奇手電筒到研發鋅空氣電池
南開大學先進能源材料化學教育部重點實驗室位於南開大學和天津大學之間的一棟俗稱聯合樓的建築中。這棟綠色建築裏的學者，幾乎都是搞新能源研究的。但南開大學化學學院院長、中科院院士陳軍的實驗室顯得與衆不同：走廊的牆上錯落懸掛着水墨和山水國畫，四季常青的綠植和小飾物遍佈角落。
近日，陳軍院士團隊在“可持續醌電極的高容量水系鋅二次電池”研究方面獲得突破，首次系統研究了醌類電極材料在水系鋅電池中的應用，這類電池材料具有廉價、容易製備、循環穩定性高、能量密度高、安全可靠等優點，爲電動汽車、規模儲能等重大應用提供了新選擇。
結緣電池，源自年幼時對手電筒的好奇
“電池是儲存化學能，並把它轉化成電能的體系；電池研究有兩個重點，轉化效率和儲存密度……”說起電池來，陳軍如數家珍：“我們的研究，就是通過納米化學和能源材料的交叉學科研究，探索使用新材料，從轉化效率和儲存密度這兩方面優化電池效能，實現更高效的能量轉化，獲得更清潔的電能。”
2017年，從中國科學院院長、學部主席團執行主席白春禮手中接過證書，1967年出生的陳軍成爲中科院化學部新晉院士中最年輕的一位，此時距離他從事電池研究已經有28年。
從年幼時對手電筒發生濃厚興趣，到1985年考取南開大學化學系，陳軍的人生都似乎與電池有緣。“那時電池研究還是冷門，我們這一屆學生中幾乎沒有人選擇這個領域。”他的本科畢業論文選擇了無機電極材料，研究生時選擇了電池作爲研究方向。而今，新能源電池是國際學術界研究的熱點和重點，市場前景巨大。陳軍記得，2003年中國化學會電化學委員會在上海召開年會時，只有200多人，可到2017年，已有3000多人蔘會。
如果說當年研究電池的陳軍琢磨的是如何突破國外技術壟斷的話，現在考慮更多的是怎麼並跑和領跑了。
“提升電池安全性、降低成本、實現可持續發展，是必然趨勢。”陳軍團隊的“可持續醌電極的高容量水系鋅二次電池”研發朝這個方向邁出了關鍵一步。醌類化合物在自然界中無處不在，以醌類化合物做成的電極，質輕、環保、安全性高，但存在活性物質損失和電池壽命短等難題。陳軍團隊通過設計，將醌類化合物應用於可充水系鋅電池。通過對比研究系列醌類化合物，他們發現，具有4個對苯醌結構單元和8個羰基的杯醌類正極材料，能夠獲得335毫安時每克的比容量，充放電平臺電壓差低至70毫伏，能量效率高達93%，容量遠超目前大部分正極材料，並且循環1000次之後，容量保持率仍有87%。“這一技術推向市場後，有望實現成本的大幅降低，而且可顯著緩解電池造成的環保壓力。”陳軍說。
做科研，就要選擇真正有意義、有難度的課題
2002年，陳軍回國受聘爲南開大學特聘教授。30平方米的實驗室裏空空蕩蕩，陳軍幾乎從零經費起步開展研究。
當年，從其他專業調劑過來的一名碩士生和一名博士生，成了他的首批弟子。陳軍給他們講解基本電化學知識，並將研究目光投入到二次電池能量密度最高的“金屬空氣電池”。這類電池的研究挑戰今天依然最大。
在研究“金屬空氣電池”的過程中，陳軍反覆設計實驗方案，反覆改進實驗操作，可無論如何努力都做不出預想結果。正在他懷疑自己是不是搞錯了的時候，2006年英國一個實驗團隊搶了先：該團隊在“鋰空氣電池”研究方面率先取得突破並在國際頂尖雜誌《美國化學會志》上發表了論文。“論文完全印證了我們的實驗思路。”後來，陳軍發現問題竟然出在實驗設備漏氣，導致實驗原材料遇到氧與水，發生副反應造成電池失效。
雖然錯失了在“鋰空氣電池”研究領域拔得頭籌的機會，但陳軍並未氣餒。電池研究本身就是多學科交叉，研究人員要有廣泛的知識儲備，才能找到新能源電池領域的突破點。“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金”，陳軍常用劉禹錫的一句詩鼓勵學生。他始終關注項目的創新性和可行性，他認爲一個有責任心的科學家應該選擇那些真正有意義，而且有難度的課題來做。
陳軍的付出終於有了回報。他帶領團隊，室溫條件下研製出成本低廉、性能優良的“鋅空氣電池”；他研發了高容量、高穩定性的金屬氧化物電極材料，康奈爾大學材料化學家阿徹（Archer）評價其材料“已成爲下一代鋰離子電池高能電極材料的研究範例”；他構建出“新型鈉/鎂—硫化物”電池，該領域專家認爲“在低成本和穩定的鈉離子電池應用中展現出光明的前景”；他創建的“可充室溫鈉—二氧化碳電池”被《自然》“研究亮點”欄目報道……截至目前，陳軍已發表SCI收錄論文300餘篇，他引2萬多次，H指數90，入選科睿唯安（Clarivate Analytics）全球高被引科學家和愛思唯爾（Elsevier）中國高被引學者；獲授權發明專利16項……
院士頭銜，意味的是擔負更大的責任
2004年陳軍爲本科生講授能源化學課時，使用的是他自己主編的《能源化學》，這是這一領域第一本教材。教材裏提出納米科技將在能源化學裏起到重要作用的觀點，現在已經被證實。
做科研，就要選擇真正有意義、有難度的課題
2002年，陳軍回國受聘爲南開大學特聘教授。30平方米的實驗室裏空空蕩蕩，陳軍幾乎從零經費起步開展研究。
當年，從其他專業調劑過來的一名碩士生和一名博士生，成了他的首批弟子。陳軍給他們講解基本電化學知識，並將研究目光投入到二次電池能量密度最高的“金屬空氣電池”。這類電池的研究挑戰今天依然最大。
在研究“金屬空氣電池”的過程中，陳軍反覆設計實驗方案，反覆改進實驗操作，可無論如何努力都做不出預想結果。正在他懷疑自己是不是搞錯了的時候，2006年英國一個實驗團隊搶了先：該團隊在“鋰空氣電池”研究方面率先取得突破並在國際頂尖雜誌《美國化學會志》上發表了論文。“論文完全印證了我們的實驗思路。”後來，陳軍發現問題竟然出在實驗設備漏氣，導致實驗原材料遇到氧與水，發生副反應造成電池失效。
雖然錯失了在“鋰空氣電池”研究領域拔得頭籌的機會，但陳軍並未氣餒。電池研究本身就是多學科交叉，研究人員要有廣泛的知識儲備，才能找到新能源電池領域的突破點。“千淘萬漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金”，陳軍常用劉禹錫的一句詩鼓勵學生。他始終關注項目的創新性和可行性，他認爲一個有責任心的科學家應該選擇那些真正有意義，而且有難度的課題來做。
陳軍的付出終於有了回報。他帶領團隊，室溫條件下研製出成本低廉、性能優良的“鋅空氣電池”；他研發了高容量、高穩定性的金屬氧化物電極材料，康奈爾大學材料化學家阿徹（Archer）評價其材料“已成爲下一代鋰離子電池高能電極材料的研究範例”；他構建出“新型鈉/鎂—硫化物”電池，該領域專家認爲“在低成本和穩定的鈉離子電池應用中展現出光明的前景”；他創建的“可充室溫鈉—二氧化碳電池”被《自然》“研究亮點”欄目報道……截至目前，陳軍已發表SCI收錄論文300餘篇，他引2萬多次，H指數90，入選科睿唯安（Clarivate Analytics）全球高被引科學家和愛思唯爾（Elsevier）中國高被引學者；獲授權發明專利16項……
院士頭銜，意味的是擔負更大的責任
2004年陳軍爲本科生講授能源化學課時，使用的是他自己主編的《能源化學》，這是這一領域第一本教材。教材裏提出納米科技將在能源化學裏起到重要作用的觀點，現在已經被證實。
成爲院士以後，陳軍仍然在教這堂課。“如果說院士跟其他人比有什麼區別的話，那就是責任更大。”
“大家來說一說手機的電池爆炸是什麼原因？”“電動汽車起火燃燒又是爲什麼？”陳軍的問題總是緊扣學術與應用前沿，他喜歡在課堂上介紹最新的成果突破，激發學生的創新意識。實驗室吸納了從大一到大四的多組本科生，開展“我愛實驗室”科研訓練和創新課題探索也廣受歡迎。
“如果我們沒有了清潔的水和空氣，即使研究出再先進的電池也沒有意義。”陳軍常這樣對學生說。用過的電池，陳軍都不會隨手丟棄，他會帶到實驗室裏，以化學方法分解成新的原料以回收再利用。
日前，教育部公佈了首批“新工科”研究與實踐項目認定結果，陳軍主持的“新能源科學與工程專業”入選能源、電氣、核工程類項目羣，將爲“新能源科學與工程專業創新創業人才培養體系”建設提供新理念、新標準、新模式、新方法、新技術。
（原標題：他見證了曾經的冷門專業成爲前景巨大的研究熱點 陳軍 29年跟電池較勁）
“大家來說一說手機的電池爆炸是什麼原因？”“電動汽車起火燃燒又是爲什麼？”陳軍的問題總是緊扣學術與應用前沿，他喜歡在課堂上介紹最新的成果突破，激發學生的創新意識。實驗室吸納了從大一到大四的多組本科生，開展“我愛實驗室”科研訓練和創新課題探索也廣受歡迎。
“如果我們沒有了清潔的水和空氣，即使研究出再先進的電池也沒有意義。”陳軍常這樣對學生說。用過的電池，陳軍都不會隨手丟棄，他會帶到實驗室裏，以化學方法分解成新的原料以回收再利用。
日前，教育部公佈了首批“新工科”研究與實踐項目認定結果，陳軍主持的“新能源科學與工程專業”入選能源、電氣、核工程類項目羣，將爲“新能源科學與工程專業創新創業人才培養體系”建設提供新理念、新標準、新模式、新方法、新技術。
（原標題：他見證了曾經的冷門專業成爲前景巨大的研究熱點 陳軍 29年跟電池較勁）
