张世国：向新型离子液体研究再进发

不少业内人士猜想，特斯拉是以高镍电池为技术路线，通过收购Maxwell的干电极技术和SiILion公司提出的离子液体+高镍NCM的高能电池技术，以改善电解液添加剂作为技术手段。

电解液被喻为锂离子电池的“血液”，承担着充放电过程离子的运输，是电池获得高电压、高比能等优点的保证。近年来，新能源汽车正站在风口，因此研究更高功率、长寿命、高安全性和低成本的动力电池体系，成为了抢占动力电池制高点的关键因素之一。

如今，现有材料体系的锂离子电池的能量密度已经基本达到瓶颈，若想进一步提升，除了需要采用高电压正极和高容量负极外，必须突破高电压电解液技术，尤其是开发可耐5V及以上高压的电解液。

但目前所使用的的常规碳酸脂类电解液电化学窗口较窄，难以满足新型动力电池的要求。而离子液体的电化学窗口宽、稳定性好，用作电解液具有难挥发、不燃烧的优势，在保障电池安全性、储能方面具有诱人的前景。

△湖南大学材料与工程学院教授张世国

作为离子液体的探索者，湖南大学材料科学与工程学院教授、博士生导师张世国已深入离子液体领域钻研16年，在国际权威期刊上发表SCI论文80多篇，带领团队在离子液体功能材料领域取得了系列进展。

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独坐16年冷板凳

外界在惊叹科研者的成就时，往往容易忽略其背后超越常人的付出与努力。

据了解，张世国的研究方向包括离子液体功能材料与电解液、碳材料、锂硫电池等新能源材料。而他与离子液体结缘，还要从2004年说起。

大学期间是补缺补差的最好时机，即将奔赴不同的人生赛道，莘莘学子的心智逐渐成熟。当周围的同学还在纠结就业问题时，喜欢钻研、奇思妙想的张世国早已明确要走科学研究的道路，并下定决心准备考研。

2004年，张世国以总分前三的成绩考入中国科学院兰州化学物理研究所。恰巧，他的导师正是国内最早一批研究离子液体的专家——邓友全研究员。张世国与离子液体的故事，或许正是从第一次在研究所见到邓友全研究员时开始。

△张世国在中科院兰州化学物理研究所

科学研究是枯燥的，要坐得住冷板凳，耐得住寂寞。在邓友全研究员的指引下，张世国对离子液体的结构、材料特性有了更深的认识。而他在中科院兰州化学物理研究所的研究时光，转眼就过去了7个春夏秋冬。

2011年从中科院兰州化学物理研究所博士毕业后，张世国带着对离子液体的满腔热情，决定向更深的研究方向出发。2012年初，他前往日本横滨国立大学攻读博士后，而他的导师渡边正义教授，是世界离子液体和电解液领域的著名科学家。

那时，张世国发现新能源是缓解世界能源压力、实现生态绿色可持续发展的途径之一。在恩师的指导下，他带着对未知世界和新事物的好奇心，一头扎进了新能源材料研究。

△张世国在日本

漫漫科研路，绝不会一蹴而就，远游在外的科研者还要排解思乡之情。“在科研进展不太顺利的时候，我会比较想念祖国和家人，特别是我的孩子。”提及自己的孩子，张世国的眼神中多了几分愧疚。

但对家人和祖国的牵挂，也成为了他在国外开展科学研究的最大动力。思绪片刻游离后，这位坚强的男子汉，很快就能调整好自己的心态，再次投入到科学研究之中。

凭借超乎常人的毅力，张世国在国际权威期刊上发表SCI论文80多篇，多篇被选为期刊封面、热点论文或高被引论文，荣获2017年离子液体与绿色过程“青年创新奖”，先后主持国家海外高层次青年人才计划项目、国家自然科学基金面上项目等多项省部级项目。

正是张世国等科研者不畏艰苦地耕耘，我国的离子液体才没有因输在起跑线而一蹶不振。

其实，离子液体的历史可以追溯至1914年，而我国第一项离子液体专利出现在1986年。虽然我国在离子液体研究领域起步晚，但在各研究院所和高校研究团队的推动下，如今我国离子液体的专利总数达14630件，在离子液体科学研究方面已基本与国外并驾齐驱。

△张世国在离子液体研究中获奖合影

“包括中国在内的各个国家在离子液体方面的研究，目前主要集中在以下两个方面：首先仍然是对离子液体这个特殊材料的深入理解和认识，其次是拓展离子液体作为新型功能材料在新兴领域中的应用。”张世国向《大国之材》介绍道。

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高成本是产业化桎梏

如今，离子液体的基础研究和产业化进程正在提速。

由于离子液体的阴阳离子体积较大、结构不规则、正负电荷的离域程度高，难以形成紧密有序的离子晶格堆积，所以离子液体在室温或接近室温时呈液态。正是这些独特的结构，使离子液体具有宽液程、极低挥发性、宽的电化学窗口等独特性质。

基于这些独特的性质，离子液体也被称为21世纪十大潜在新材料之一。

“通过改变阴、阳离子的不同组合，或者对阴阳离子进行结构改造，可以设计合成各种各样甚至按需求定制的离子液体，因此离子液体也称为‘设计者溶剂’。”张世国介绍道。

据了解，离子液体最早是用于有机反应，随着材料基础研究逐渐深入，离子液体的种类和应用领域不断拓展。近年来，离子液体已经作为绿色溶剂、新型介质、功能流体和软材料，被广泛应用于石油产品、润滑材料、太阳能工业、电池材料等领域。

据Graphical Research预测，到2024年离子液体的全球需求将达到6.5万吨，市场规模达到25亿美元。目前，全国离子液体相关概念公司有1500余家，但市场仍由少数公司控制。

其中，美国和德国控制着全球70%的市场份额，但大部分企业都是自产自用，只有BASF等少数公司有部分离子液体静电剂等产品在市场销售。

国内如浙江蓝德、林州科能、惠州艾利荣等企业，已经在离子液体领域推动相应的产品落地。而成立于2010年的林州科能，已经拥有1000 t/a的离子液体生产线，其产品主要应用于催化、吸收用离子液体以及部分离子液体电解液。

近年来，在新能源汽车风口的推动下，离子液体用作锂离子电池电解液被寄予厚望，但是如今离子液体的产业化进程依旧缓慢。由于其制备和纯化过程相对繁琐，离子液体材料的高成本，成为了其市场推广的绊脚石。

“一是开发更简单更易大规模生产的流程；二是促进离子液体的循环使用；三是开发基于离子液体的高附加值的产品或材料。”张世国认为从降本增效的角度出发，或许可以从不同的途径降低材料生产成本或提高材料价值。

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产学研加速奔跑

“我们常说科研不仅要上书架，还要上货架。要想加快离子液体材料的推广应用，还需要促进科研院所和企业的合作。”

对于新技术、新材料而言，只有产学研充分融合，才能推动市场快速前进。“首先，科研机构和团队要主动出击，了解当前企业和市场的需求，以及离子液体在实际推广应用中存在的问题，才能有针对性地促进技术应用的落地。”

同时，企业也要积极与科研院所对接，将实际推广难题及时反馈至研发端口。其中，成立于2009年的浙江蓝德，就依托中国科学院兰州化学物理研究所、浙江工业大学等名所名校的科研创新团队和成果，围绕离子液体材料制备离子液体催化剂、离子液体电解液功能添加剂。

如今，离子液体正急速渗透至汽车、航天航空、军工等领域，但不容忽视的是，离子液体还存在诸多的技术难题亟需攻克。以电池电解液应用为例，离子液体电解液和电极材料还存在相容性问题，其粘度偏高、倍率性能较差。

因此，纯粹的离子液体组成的电解液还难以直接应用，而离子液体和传统有机电解液的复合材料，或许是短期内的重要研究方向。长期来看，还需要对离子液体的结构进行更加深入的研究，合成具有更低粘度、更低成本以及正负极相容性更好的离子液体。

迈向更深层次的材料探索，离不开科研者的辛勤开荒。

谈起未来，张世国的心里已经有明确的计划。他认为离子液体这种特殊的功能材料，在领域的应用潜能还未得到充分发掘，因此他将在离子液体功能材料领域，具体包括聚离子液体、离子凝胶以及离子液体电解液等研究方向继续深耕。

“我希望和各位同仁在离子液体这个细分领域，尽自己最大努力把它做到最好、最强。当每位科研工作者、每一个企业把自己份内的事情做好，就会由点及面，推动国家发展和社会进步。”

【个人介绍】

张世国，湖南大学材料科学与工程学院教授、博导，2011年博士毕业于中国科学院兰州化学物理研究所（硕博连读），2012-2016年在日本横浜国立大学从事为期四年半的博士后研究，2016年10月起，全职回国并被聘为湖南大学材料科学与工程学院教授（岳麓学者），2017年入选国家海外高层次青年人才，2018年获得湖南省杰出青年基金支持。主要研究方向为面向清洁能源的功能离子液体和碳材料研究，具体包括离子液体功能材料与电解液、碳材料、电催化和锂硫电池等新能源材料。

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