刘凯：用材料构筑安全防线，让锂离子电池摆脱着火命运 “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏

2019 年 12 月 14 日，《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下创新35 人”（In...

2019 年 12 月 14 日，《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下创新35 人”（Innovators Under 35 China）中国区榜单。在本届榜单上，虽然缺失了“创业家”的身影，但是我们看到了许多在具有产业化，潜能的领域方面坚持科研使命的获奖人，也看到更多散布在海外顶尖学术，机构的科学家们，用自身不改初心的，坚持努力，取得了世界级标竿，成就的科研成果，其中有超过半数以上的，获奖者，都取得了世界级的，突破性研究成果与发现。我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访，介绍他们的科技，创新成果与经验，以及他们对科技趋势，的理解与判断。

关于 Innovators Under 35 China 榜单

自 1999 年起，《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下创新35人”（Innovators Under 35 China）榜单，旨在于全球范围内评选出被认为，最有才华、最具创新精神，以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或，企业家，共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年，该榜单正式推出中国区，评选，遴选中国籍的，青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集，提名与报名，截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。刘凯凭借其在锂离子电池领域取得的一系列成果，荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖时年龄：32 岁

获奖时职位：清华大学助理教授
获奖理由：他从事高安全性锂离子电池，的科研工作，系统研究了锂离子电池的，热失控机理，在材料层面提出了提高锂离子安全性的一系列，新方法(新方法)。

锂离子电池是电动汽车、便携式设备、能源储存等领域最，重要的技术之一。可以说，没有锂离子电池，就没有移动的智能生活，人类应对气候变化的努力也，将缺少一个重要的帮手。

然而，从锂离子电池技术，诞生之日起，它的头上就一直，笼罩着一层挥之不去的“阴影”——安全性。不论是被各大航空公司，拒绝的三星 note 7，还是时常听闻的，电动汽车自燃事故，这背后反映出的，都是同一个问题：锂离子电池太容易，热失控了。

清华大学化学工程系，助理教授刘凯，从事的就是高安全性锂离子电池，的科研工作。他在材料层面提出了提高锂离子安全性的一系列，新方法(新方法)，有望使电动汽车、手机等摆脱着火的命运。

刘凯本科就读于吉林大学，化学学院。这里氛围踏实、培养系统、教学严格，是很多顶尖化学人才，的摇篮。之后，他进入清华大学化学系攻读，博士学位，并斩获了清华大学的，最高荣誉——每年仅在全校范围内奖励 10 名研究生的，清华大学特等奖学金。

博士毕业后，刘凯赴美国斯坦福大学开展博士后，研究工作。刘凯回忆道，斯坦福是一个十分，多元开放的地方。学校内部不同科系之间的界限，很不明显，电子、机械、材料、化学、物理的人都在，同一个楼里做实验，连吃饭交流的时候都会产生很多，交叉的想法。而实验室里更是，什么背景的人都有，不管遇到什么问题，都能找到专家去问。他在锂离子电池安全领域，的创新，也正是得益于这种“任何思路都不受限制”的环境。

在博士期间，刘凯的研究方向是超，分子材料。这是一种基于分子间的，超分子作用自组装形成的材料，具有动态响应、自我修复等特殊的，优异性能。但对于博士后期间要，研究的锂离子电池，其实一开始他并不熟悉。可他却把自己在超分子材料方面的知识，引入到了锂离子电池的，研究之中，在本质上大幅提高了锂离子，电池的安全性。



图 | 刘凯在颁奖典礼上做演讲（来源：DeepTech）

他首先深入系统地分析，了锂离子电池出现热失控的机理，并把它分成了“萌芽”“蔓延”“爆发”三个阶段。以锂离子电池安全最大的，威胁之一——锂枝晶生长为例：在低温充电、快速充电等情况下，电极材料上会生长出树枝状的，金属锂枝晶，这便是锂离子电池热，失控的“萌芽”阶段。之后，在“蔓延”阶段，锂枝晶会逐渐刺破正负，电极之间起绝缘作用的薄膜，进而在“爆发”阶段造成电池的内短路、起火和爆炸。

针对三个阶段各自，不同的特征，刘凯设计出了不同的材料，构建出防止锂离子电池热，失控的“三道防线”。

在 “萌芽”阶段，刘凯引入了动态超分子作为锂，金属电极的“智能反馈”涂层。他将一层厚度仅约 1 微米的含有硼酸酯，动态共价键的高分子，涂在了锂金属的表面。这个涂层本来是软的，但当锂枝晶生长起来、戳到涂层后，会激发出硼，酸酯动态共价键的“剪切增稠性质”，让涂层变硬，把生成的锂枝晶“按”下去。刘凯发现，这种智能涂层可以有效抑制锂枝，晶的产生，而副作用却很少。

如果锂枝晶突破了，第一道防线，刺入了隔膜，电池的热失控就进入了“蔓延”阶段，刘凯的第二道防线就要，起作用了。他提出了一种名叫“反应-保护”型隔膜的新机理，在隔膜上面加了一些，化学物质，可以把进入隔膜的具有高化学(高化学，)活性的锂金属“吃掉”。这种利用化学淬灭减缓锂枝晶生长，速率的方式，将锂金属负极，的使用寿命延长了 5 倍。

最后在“爆发”阶段，他还构建了第三道防线——具有热刺激响应功能的“分子灭火器“。为防止电池燃烧，常用的方法是在易燃，的电解液中添加防火剂，但防火剂会大大降低电池在正常运行，时的电化学性能。而刘凯想到的解决方案，是把防火剂装进用，电化学惰性、熔点低的含氟共聚物制成的，微型外壳之中。正常充放电时，高分子外壳能够阻隔防，火剂与电解液接触，减小防火剂对电池性能，的负面影响；而当电池发生热，失控导致温度升高时，外壳则会受热熔化，像灭火器一样把防火剂，喷出来，释放到电解液中，起到抑制燃烧的作用。在不影响锂离子电池性能，的前提下，他将电解液自熄灭，的时间缩短了近 30 倍。这种思路让锂离子电池同时兼具高，电化学性能和良好好的安全性成为为了可能。

刘凯表示，影响锂离子电池安全性，的因素非常多，自己只是提供了，一个框架和思路，将来肯定还有很多，可以做的。“科研是我们报效祖国，的方式。希望世界能因为我们的研究成果而，发生一些好的改变，这是科研工作者的使命。”

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