南開大學(xué)先進(jìn)能源材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室位于南開大學(xué)和天津大學(xué)之間的一棟俗稱聯(lián)合樓的建筑中。這棟綠色建筑里的學(xué)者，幾乎都是搞新能源研究的。但南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院院長、中科院院士陳軍的實(shí)驗(yàn)室顯得與眾不同：走廊的墻上錯落懸掛著水墨和山水國畫，四季常青的綠植和小飾物遍布角落。
 

　　近日，陳軍院士團(tuán)隊(duì)在“可持續(xù)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(tǒng)研究了醌類電極材料在水系鋅電池中的應(yīng)用，這類電池材料具有廉價(jià)、容易制備、循環(huán)穩(wěn)定性高、能量密度高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，為電動汽車、規(guī)模儲能等重大應(yīng)用提供了新選擇。
 

　　結(jié)緣電池，源自年幼時(shí)對手電筒的好奇
 

　　“電池是儲存化學(xué)能，并把它轉(zhuǎn)化成電能的體系；電池研究有兩個重點(diǎn)，轉(zhuǎn)化效率和儲存密度……”說起電池來，陳軍如數(shù)家珍：“我們的研究，就是通過納米化學(xué)和能源材料的交叉學(xué)科研究，探索使用新材料，從轉(zhuǎn)化效率和儲存密度這兩方面優(yōu)化電池效能，實(shí)現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)化，獲得更清潔的電能。”
 

　　2017年，從中國科學(xué)院院長、學(xué)部主席團(tuán)執(zhí)行主席白春禮手中接過證書，1967年出生的陳軍成為中科院化學(xué)部新晉院士中最年輕的一位，此時(shí)距離他從事電池研究已經(jīng)有28年。
 

　　從年幼時(shí)對手電筒發(fā)生濃厚興趣，到1985年考取南開大學(xué)化學(xué)系，陳軍的人生都似乎與電池有緣。“那時(shí)電池研究還是冷門，我們這一屆學(xué)生中幾乎沒有人選擇這個領(lǐng)域。”他的本科畢業(yè)論文選擇了無機(jī)電極材料，研究生時(shí)選擇了電池作為研究方向。而今，新能源電池是國際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，市場前景巨大。陳軍記得，2003年中國化學(xué)會電化學(xué)委員會在上海召開年會時(shí)，只有200多人，可到2017年，已有3000多人參會。
 

　　如果說當(dāng)年研究電池的陳軍琢磨的是如何突破國外技術(shù)壟斷的話，現(xiàn)在考慮更多的是怎么并跑和領(lǐng)跑了。
 

　　“提升電池安全性、降低成本、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是必然趨勢。”陳軍團(tuán)隊(duì)的“可持續(xù)醌電極的高容量水系鋅二次電池”研發(fā)朝這個方向邁出了關(guān)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(zhì)輕、環(huán)保、安全性高，但存在活性物質(zhì)損失和電池壽命短等難題。陳軍團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)，將醌類化合物應(yīng)用于可充水系鋅電池。通過對比研究系列醌類化合物，他們發(fā)現(xiàn)，具有4個對苯醌結(jié)構(gòu)單元和8個羰基的杯醌類正極材料，能夠獲得335毫安時(shí)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(dá)93%，容量遠(yuǎn)超目前大部分正極材料，并且循環(huán)1000次之后，容量保持率仍有87%。“這一技術(shù)推向市場后，有望實(shí)現(xiàn)成本的大幅降低，而且可顯著緩解電池造成的環(huán)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，陳軍回國受聘為南開大學(xué)特聘教授。30平方米的實(shí)驗(yàn)室里空空蕩蕩，陳軍幾乎從零經(jīng)費(fèi)起步開展研究。
 

　　當(dāng)年，從其他專業(yè)調(diào)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(xué)知識，并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(zhàn)今天依然最大。
 

　　在研究“金屬空氣電池”的過程中，陳軍反復(fù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，反復(fù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作，可無論如何努力都做不出預(yù)想結(jié)果。正在他懷疑自己是不是搞錯了的時(shí)候，2006年英國一個實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)搶了先：該團(tuán)隊(duì)在“鋰空氣電池”研究方面率先取得突破并在國際頂尖雜志《美國化學(xué)會志》上發(fā)表了論文。“論文完全印證了我們的實(shí)驗(yàn)思路。”后來，陳軍發(fā)現(xiàn)問題竟然出在實(shí)驗(yàn)設(shè)備漏氣，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)原材料遇到氧與水，發(fā)生副反應(yīng)造成電池失效。
 

　　雖然錯失了在“鋰空氣電池”研究領(lǐng)域拔得頭籌的機(jī)會，但陳軍并未氣餒。電池研究本身就是多學(xué)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(lǐng)域的突破點(diǎn)。“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(xué)生。他始終關(guān)注項(xiàng)目的創(chuàng)新性和可行性，他認(rèn)為一個有責(zé)任心的科學(xué)家應(yīng)該選擇那些真正有意義，而且有難度的課題來做。
 

　　陳軍的付出終于有了回報(bào)。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，室溫條件下研制出成本低廉、性能優(yōu)良的“鋅空氣電池”；他研發(fā)了高容量、高穩(wěn)定性的金屬氧化物電極材料，康奈爾大學(xué)材料化學(xué)家阿徹（Archer）評價(jià)其材料“已成為下一代鋰離子電池高能電極材料的研究范例”；他構(gòu)建出“新型鈉/鎂—硫化物”電池，該領(lǐng)域?qū)＜艺J(rèn)為“在低成本和穩(wěn)定的鈉離子電池應(yīng)用中展現(xiàn)出光明的前景”；他創(chuàng)建的“可充室溫鈉—二氧化碳電池”被《自然》“研究亮點(diǎn)”欄目報(bào)道……截至目前，陳軍已發(fā)表SCI收錄論文300余篇，他引2萬多次，H指數(shù)90，入選科睿唯安（Clarivate Analytics）全球高被引科學(xué)家和愛思唯爾（Elsevier）中國高被引學(xué)者；獲授權(quán)發(fā)明專利16項(xiàng)……
 

　　院士頭銜，意味的是擔(dān)負(fù)更大的責(zé)任
 

　　2004年陳軍為本科生講授能源化學(xué)課時(shí)，使用的是他自己主編的《能源化學(xué)》，這是這一領(lǐng)域第一本教材。教材里提出納米科技將在能源化學(xué)里起到重要作用的觀點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)被證實(shí)。
 

　　成為院士以后，陳軍仍然在教這堂課。“如果說院士跟其他人比有什么區(qū)別的話，那就是責(zé)任更大。”
 

　　“大家來說一說手機(jī)的電池爆炸是什么原因？”“電動汽車起火燃燒又是為什么？”陳軍的問題總是緊扣學(xué)術(shù)與應(yīng)用前沿，他喜歡在課堂上介紹最新的成果突破，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。實(shí)驗(yàn)室吸納了從大一到大四的多組本科生，開展“我愛實(shí)驗(yàn)室”科研訓(xùn)練和創(chuàng)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(jìn)的電池也沒有意義。”陳軍常這樣對學(xué)生說。用過的電池，陳軍都不會隨手丟棄，他會帶到實(shí)驗(yàn)室里，以化學(xué)方法分解成新的原料以回收再利用。
 

　　日前，教育部公布了首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目認(rèn)定結(jié)果，陳軍主持的“新能源科學(xué)與工程專業(yè)”入選能源、電氣、核工程類項(xiàng)目群，將為“新能源科學(xué)與工程專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)體系”建設(shè)提供新理念、新標(biāo)準(zhǔn)、新模式、新方法、新技術(shù)。