——记哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授慈立杰

刘玉杰

如果要概括慈立杰的性格，最贴切的词就是“行动力强”。从埋首传统金属材料，到探秘新型材料，再到涉足发展前景广阔的锂电池及新型储能器件研究，无惧“从头再来”几乎成了他的代名词。行走于科研与产业之间，慈立杰总能从日常工作中找到闪光点。难能可贵的是，他从不满足于“看见”。习惯于说做就做的他，总能由点及面，以扎实探索、反复验证的力量开拓全新的研究场景。在他看来，兴趣或许是一切研究的开端，而当置身相关领域之中，便催生了责任和使命。在能源短缺和环境污染已成为世界范围内巨大挑战的当下，面对能源结构调整、产业结构升级、绿色发展体系构建等我国亟待解决的重大议题，慈立杰要做的，就是着力开发新型锂电材料，打造高安全、高比能的新一代锂离子电池，为推动高效能量转化与存储产业领域发展贡献自己的力量。

人生的路口

——命运偏爱勇者

1990年，自诩“不是很聪明”的慈立杰，成了山东工业大学（现山东大学）的大一新生。与预想的大学生活相去甚远，进入铸造专业的慈立杰，开始做起了父母口中“工厂里最脏最累的活儿”，翻砂、钢水、浇铸、模型……成了慈立杰学习生活中的主旋律。熔炉炽热、青春滚烫，打磨掉最初的毛躁和不满，“上承矿、下启材”的铸造专业，也给予了这个埋头苦学的年轻人丰厚的馈赠——在这里，慈立杰不仅掌握了扎实的金属材料相关知识，更是从中窥得了前行的路径。“当时也很懵懂，就觉得无论做什么都需要材料。”抱着这样朴素的想法，慈立杰学习不辍，哈尔滨工业大学、清华大学都留下了他孜孜以求、探索材料世界的身影。

由传统铸造到新型金属复合材料研究，慈立杰在硕士阶段即参与了不少横向应用开发项目，并获得了不错的成绩。正当他以为自己要沿着这条路继续走下去的时候，新的机遇出现了。待到博士阶段，富勒烯（C60）作为一种新型材料“横空出世”，其可能带来的行业变革和新的应用前景立刻吸引了慈立杰的注意。这种新型碳材料具有怎样的应用前景？如何将其功用最大化？抱着关于新材料的诸多猜想，慈立杰从工程应用批量制备的角度出发，在导师吴德海教授的带领下，他“辞旧迎新”，就此开始了新型碳材料的合成及应用的相关研究。

悠长的学习时光带给慈立杰的除了“动心忍性”的磨砺，更有对于研究成果实用性的执着。在慈立杰看来，“实现批量生产”是一切材料投入应用的基础条件，研究产业化的合成手段就成为他探索新材料世界的重要着力点。以此为开端，慈立杰先后提出“浮动催化化学气相沉积法连续制取碳纳米管”“立式浮动催化化学气相沉积法大批量制备单层碳纳米管”等新型合成手段，基于对“落地”的不懈追求，也让他的研究成果呈现出极强的实用性——经过多年发展，当初慈立杰提出的合成方案早已实现产业化，相关研究方向也吸引一代代后来人继续前行。

“我学得越多，就感觉懂的越少。”庞大瑰丽的材料世界吸引着慈立杰不断探寻，他也急切地希望能够“走出去看看”，以不断拓宽自己的认知边界。在结束中国科学院物理所的博士后研究后，慈立杰立即着手申请留学，法国中央理工学院、德国马克斯-普朗克金属所、美国仁尔斯勒理工学院，先后成了他触摸新型碳材料相关研究的前沿阵地。如今想来，“那时不是一个稳定的状态，就是到处漂。还带着家庭、孩子一起漂”，然而探索新知、得见世界的兴奋让慈立杰扛过了这些辛苦。功不唐捐，这段“漂泊岁月”，让慈立杰的科研方法不断精进、科研作风持续提升，回忆当年，他笑称“觉得自己是有长进的”。在仁尔斯勒理工学院从事科研工作期间，慈立杰更是收获了惊喜的“意外发现”：在一次常规的碳纳米管阵列生长过程中，慈立杰发现了一种特别黑的材料。“黑到什么程度呢？我们用拉曼光谱激光光斑检测这种材料时，激光光斑竟然会直接消失，这意味着就连高亮度的激光也无法得到反射。”经过测算，这种材料几乎比美国国家标准与技术研究院用作当前黑色基准的碳物质黑了近30倍，它接近于科学家梦寐以求的理想黑色，几乎能吸收所有的光，而且还不反射光。抱着好奇的想法，慈立杰查阅了相关资料，发现“这个材料的各项指标都是最黑的”。“大家开玩笑说，既然这么黑，那我们也得申请一个吉尼斯世界纪录去！”慈立杰笑着回忆道，“没想到这个纪录还真的申请下来了，这种材料也就被朴实地命名为‘最黑人造材料’。”除此之外，慈立杰还在碳纳米材料的其他应用方向进行了积极探索，如柔性储能器件、“人造壁虎脚”、高强碳纳米管纤维、高能量吸收的碳纳米复合材料等。国外自由的学术气氛充分释放了慈立杰活跃的科研天性，他将其描述为“那时候是学术成果很丰盛的一段时光”。

学有所成，慈立杰终于结束了“学漂”生涯，以研究科学家的身份进入美国莱斯大学，他的生活似乎终于进入了一种稳定的状态。然而对“做有用科研”的坚持让慈立杰产生了新的思考，所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，徜徉科研领域多年的慈立杰决心去产业界亲眼看一看。就此，他毅然决然地结束了来之不易的平顺生活状态，成了三星美国圣何塞研究中心的首席科学家。

入职企业，慈立杰最直观的感受，就是得以触碰行业发展最前端的需求——“从高校转到企业的一个最大的转变，实际上就是做高科技产业应用的事情。”基于新型碳材料，特别是碳纳米管及石墨烯的广泛应用前景，慈立杰就势展开了以新型碳材料为主的复合材料在光电领域及储能领域的应用研究，以锂离子电池为代表的能量转化与存储领域也自此向慈立杰敞开了大门。

在慈立杰看来，做材料基础研究的意义，就是尽可能提升所研材料的各种性能，同时为其找到更好的应用场景。传统的化石能源总有用尽的一天，清洁、高效、低价的替代性能源成为世界各国投入大量研究经费的科研热点。其中，研究较为成熟的锂电池无疑是一种较为理想的新能源解决方案，而让慈立杰兴奋的是，自己钻研多年、熟稔于心的新型碳材料在这一解决方案中“大有可为”。选定方向，毅然前行。慈立杰自认从不缺乏“重新来过”的勇气，这一次，这个勇敢者同样以坚定的姿态，再次调整方向，将全部精力投入锂离子电池和其他储能器件的相关研究领域中，他期待将自己关于新型碳材料的研究成果转化为推动行业发展的重要动力。

无悔的选择

——“我是来做产业的”

硅谷层出不穷的创业活动，深深触动了置身其中的慈立杰，高科技新材料领域日新月异的发展也让慈立杰“自己去做点什么事”的想法有了实现的可能。恰逢此时，母校山东大学向慈立杰递出了橄榄枝，国内相关应用研究领域方兴未艾，对始终怀有报国之志的慈立杰来说，这可谓是“天时、地利、人和”。没有太多犹豫，慈立杰立刻打点行装，在2013年回到了暌违十年的祖国。

重回高校，慈立杰的想法却与常规认知颇为不同：“我是来做产业的。”慈立杰方向明确，“产业化、实际应用、有用”成了他的主题词。以高科技新材料领域为切入点，慈立杰在材料、技术、产业化等方向“多向出击”，在充分重视基础研究的前提下，与一线企业共同搭建良性的、有效的互动模式，推动我国具有自主知识产权的、有国际竞争力的自支撑科研-应用循环体系快速形成。在积极倡导绿色可持续发展的大背景下，推进高效节能产业体系建设，推动新能源汽车等产业成为支柱产业，大力发展新能源材料等先进功能材料技术，发展清洁高效能源技术推动能源革命已成为我国现阶段科技创新与产业发展的主要方向；2020年，“双碳”承诺更彰显了我国产业专业的坚定决心和强大信心。从缓解能源危机、大力发展新能源汽车产业、早日实现碳中和的目标出发，慈立杰敏锐地抓住了开发兼顾高能量密度和高安全性能的新一代固态锂电池体系的风口，在相关研究领域不断加码。

据了解，现阶段锂离子电池主要存在两个棘手问题：其一，目前商用锂离子电池正、负极材料容量已基本接近各自的理论极限值，商业化产品能量密度大多低于300Wh/kg，远低于《中国制造2025》规划提出的“我国动力电池的单体能量密度要在2025年和2030年分别达到400Wh/kg、500Wh/kg”之标准，难以满足产业发展对高能量密度的需求；其二，目前商用的锂离子电池多采用易燃、易挥发的液态电解液，在电池滥用或受到外力冲击的情况下易发生燃烧或爆炸，存在极大安全隐患，近期频发的电动车自燃事件也印证了这一论断。坚持问题导向，以释放电池正负极“潜能”、选取高稳定性电解质为目的，慈立杰不断探索着下一代锂电池的全新可能性。

利用固态电解质的固态锂离子电池，是解决目前锂电池能量密度低和安全性差问题的优良方案。基于固态电解质不易燃且具有较高的热稳定性和一定的机械强度的特征，采用固态电解质可以使固态动力电池的安全性能得以有效提升。方法之外，慈立杰还在材料的“品质”方面加码，以高性能固态电解质的制备创新为着力点，在行业内第一次制备了片状的锂镧锆氧（LLZO）无机陶瓷颗粒，并借由进一步表面改性获得高质量的界面层，从而增加无机颗粒的分散均匀性，最终得到高离子电导的有机无机复合固态电解质，实现了优越的离子电导率、高的锂离子迁移数及宽的电化学窗口等性能，并保证了固态电解质和电极之间的良好接触。

在固态电池体系中，选择合适的正负极体系同样十分关键。哪种材料才是传统正负极材料的“革命者”？这个答案并不唯一。以负极为例，硅负极和锂负极都是目前研究重点。而正极活性材料目前可以胜任大规模能量存储的选项主要有磷酸铁锂（LFP）和三元镍钴锰（NCM）。面对这一情况，慈立杰选择在复合正负极材料设计创新方面下足功夫。他带领团队成员使用快离子包覆构建正负极锂离子传输网络，保证正负极循环过程中离子快速传输，最大限度提高整体电池的倍率及循环容量。在他看来，即使材料选择众多莫衷一是，也可以凭借优良的“通道”实现效果最大化。

此外，电池组装工艺的创新也被慈立杰纳入“提升”的过程中。相比液态电池，固态电池在结构上更为紧凑，固态电解质取代了隔膜和电解液，同时起到隔绝正负极和传导离子的作用，这种变化也决定了二者在生产和装配流程上的差异。针对这一情况，慈立杰通过湿法流延工艺、干法电极制备工艺等创新，获得了高界面相容性的全固态电池，保证了电解质与正负极之间的充分接触及厚度控制，实现能量密度最大程度的提升。从结构到工艺，慈立杰的研究成果成为推动固态电池的实际应用的重要力量，固态电池在诸如移动设备、电动汽车、电网储能等领域具有广阔的应用前景，也让慈立杰距离产业化的梦想更近了一步。

与此同时，开拓新型二次电池体系——锂空气（氧气）电池的相关研究领域也是慈立杰在做的重要工作。据慈立杰介绍，锂空气（氧气）电池主要由金属锂负极、电解液和空气催化正极构成，其理论能量密度高达3500Wh/kg，十倍于传统的锂离子电池，其实际能量密度与汽油相当，远超现有的如铅酸电池、锂离子电池、锌空气电池和锂硫电池等能源存储体系，被主要发达国家认定为可替代汽油内燃机的下一代储/供能系统。然而由于其工作环境的复杂性，许多基础性问题仍旧未能彻底解决。为此，慈立杰正在通过构筑高效的空气正极催化电极、稳定安全的金属锂负极和电化学稳定的电解液等方式，为这一锂电池发展理想方案的未来应用铺平道路。

科研硕果累累，慈立杰的目光却没有局限于实验室中。面对“教授创业”的质疑声，慈立杰从未退缩。他坚信，自己诞生于硅谷的“做产业”的愿望，可以在中国这片奇迹的土地上生根发芽。2019年，慈立杰成为哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院的教授，他的梦想也在深圳这片创业热土上闪烁出新的光辉。

以扎实的科研成果作为基础，搭建面向需求、面向市场的技术型创业公司，将高校研究团队与公司研究团队的步调统一起来，形成良好的帮助促进效应，科研和产品互为支撑，目前慈立杰亲自“挂帅”的深圳市索理德新材料科技有限公司已进入这样“比较理想的状况”。基于高校科研成果，通过产学研结合，公司已实现高能量密度硅碳负极、氧化物和硫化物固态电解质的产业化。在这里，高校与企业的合作不再是牵强的“拉郎配”，而是形成了兼顾基础性研究、应用性探索及产品生产的高效率产出模式，“我们做科研的最终目的是实现行业的‘自支撑’，企业和高校科研之间要有一个良性互动、互相反馈的过程，最终让产业落地的梦想变为现实。这是我们的愿望，现在看来，这也是我们教授创业的优势。”慈立杰自信地说。

桃李自成蹊

——长久踏实地走下去

专注实践、矢志实业，“做有用的研究”不仅是慈立杰的座右铭，也成了他教授学生的一条准则。“科研世界是很大的，但是不能抱着‘玩玩花样’的心态做研究，更不能以发文章为目的做研究，那都是没有意义的。”爱笑的慈立杰难得严肃地强调了自己的教学态度，“在科研过程中，我总是极力地激励和引导我的学生去做‘有用的研究’，去做能落地、能实用的研究。在我看来，让学生得到系统的科研训练，奠定扎实的科研基础，接触产业实际应用的前沿，都是我要做的事情。”

为了这个目标，自述为在锂电池研究领域“半路出家”的慈立杰，每次给本科生和研究生上课前都要用大量的时间备课。他说：“要给学生上两小时的课，我至少要准备四五个小时，即使讲过的内容也要认真准备。教学是责任，绝不能糊弄学生。在锂电池这个领域，我也是‘现学现卖’，要不断理解、不断深入、边学边教，以我的亲身经历，为学生展示高科技产业发展的一角，也在交流实践过程中打造学生的工程化思维，是一个非常美妙的过程。”

传道受业解惑，在慈立杰的心血浇灌下，属于他的科研团队也逐步形成。与一般团队不同的是，这是一支致力于产业化的高效团队。这里不仅有专注科研的高校学生、归国人才，也有具有多年从业经验的资深研发人员和销售人员。从科研到应用，慈立杰以言传身教的方式，为新一代材料人垂范，而其反复强调的产业思维，也正成为团队不断奋进、斩获佳绩的重要力量。

一路走来，皆有痕迹。钢水中凝练的坚韧，碳纳米材料和储能材料与器件实验室里诞生的梦想，逐浪产业潮头的雄心壮志，成就了今天的慈立杰。谈及未来的发展，慈立杰认为，“上书架”“上货架”是研究工作的最高境界。所谓“上书架”，就是要做好基础研究，做出“好材料”，为后续的研究和应用奠定坚实基础；所谓“上货架”，则是要面向新能源汽车和规模储能的市场需求，积极落地能够产业化的研究成果，并与企业展开横向研究等多种形式的合作，切实为应用服务，搭建产学研结合的大领域、大联盟。在慈立杰看来，这对团队建设和整个学科的发展来说都是难得的机遇。“把基础研究做好，把产业做好，然后将二者联系起来，形成一个良性循环，我觉得这就是最佳状态。充分发挥自己做研究的特长，发掘国内外、校内外的各种合作可能性，为真正的产业应用提供支撑，这是国家交给我们的使命。这个过程虽然没那么顺利，但毕竟做事情肯定不会一帆风顺，特别是做产业化。但是我的心是很坚定的，直到今天，我仍然对科研和产业化工作充满了新鲜感，未来我期待能够更长久、更踏实去做这些事，不辜负国家的期待。”

（责编：唐一白）