【原创】国际著名电池研究专家——Jeff Dahn
中国粉体网讯 Jeff Dahn教授是目前国际上锂离子电池材料研究领域最著名的学者之一，他曾荣获加拿大最高科学与工程奖Gerhard Herzberg Gold Medal in Science and Engineering金质奖章(2017)。现为加拿大皇家科学院院士，为加拿大自然科学基金委的杰出教授（Canada Research Chair)，获加拿大物理学会的杰出教师奖（2009），目前担任国际著名电动汽车公司Tesla的首席科学家。
一、Jeff Dahn的经历概述
1982年，Jeff Dahn在加拿大的英属哥伦比亚大学（UBC）取得物理学博士学位；
1985年，Jeff在Moli Energy度过了5年的产业研发时光；
1990年，Jeff在西蒙弗雷泽大学物理学任教；
1996年，Jeff回到本科母校——达尔豪斯大学担任教授至今，并与3M公司展开了长达20年的任职生涯，担任电池材料工业研究主席，为3M公司贡献了众多专利，成为3M公司电池领域盈利的主要来源；
2016年起，与3M结束合约的Jeff Dahn携手Tesla，担任Tesla Canada的工业研究主席。
二、Jeff Dahn的卓越贡献
1979-1987年间，Jeff Dahn研究了TaS2 、Mo6Se8、ZrS2、ZrSe2、Mo6S8等材料的锂离子电池性能；
1990-1993年间，Jeff Dahn研究了LiNiO2、WO3、LiCoO2、LiMn2O4等；
1994年，Jeff Dahn在Science上发表首篇水系锂离子电池文章；
1995年，又在Science上发表文章报道Li+嵌碳的三种机理；
2002年，报道世界首个三元锂电池；
2005年，提出了在电池中加入氧化还原电对来防止过充；
2006年，比较LixSi和LiC6的性能；
2007年，开发了可用于Si负极的粘结剂；
2008年，Al部分取代三元材料中的Co，以及全部取代Co的正极材料的性能；
2011年，面对学术界中电池制作工艺的不规范，提出了学术研究中的扣式电池的装配方法；
2014年，发明了用阿基米德浮力测试软包电池中的产气情况；
2016年，高压锂离子软包电池中的电解液和添加剂的选择；
2017年，定量、理解、评估锂离子电池中的气体消耗；
2017年，软包电池中硅负极的体积、压力和厚度变化。
2019年，加热化成提升无负极锂金属电池低温循环性能；
2019年，提出Co在高镍正极中不是必要的，鼓励更多的研究；
2020年，超声成像在锂电池检测当中的应用(Joule)；
2020年，纠正无负极锂金属电池的失效机制，其实是电解液的消耗，导致产气(Nature Energy)；
2020年，锂离子电池和锂金属电池结合，实现安全性，循环性和能量密度之间的平衡（Joule）。
以上的列举并不能囊括Jeff Dahn的全部贡献，在过去20年中，Jeff Dahn共发表了超过640篇论文，同时还是65项发明的共同发明人。
三、Jeff Dahn的产研结合之路
Jeff Dahn毕业后的三次工作经历在Jeff的产研结合过程中留下了浓墨重彩的一笔，分别是Moli Energy、3M和Tesla。
毕业后在Moli工作的Jeff Dahn主要关注锂离子电池的原材料和反应机理，为电池的产业化奠定了理论基础；3M工作期间，锂电池已经实现了产业化，Jeff Dahn的研究方向分为电解液添加剂、电解质与电极材料的结合和库仑效率三方面，为锂电池的工业应用扫清障碍；现在的Jeff Dahn作为Tesla的战略合作伙伴，研究领域也更上一层楼——为了更好地改善锂电池的电池性能，他目前的研究方向为电池的失效机理和高端添加剂，Jeff Dahn及其团队的研究成果已经成为了Tesla的“秘密武器”。
1.Moli Energy的产研结合初试
Jeff Dahn自1985年博士毕业后即加入Moli Energy，这家公司是全球第一家锂金属可充电电池的量产制造商，同时也是北美第一家锂离子电池的制造商。在Moli就职期间，Jeff着重搭建锂电池产业化体系，对三元电池体系、含Ni/Co可充电锂电池、无水/带水电解质可充电锂电池等进行了探索。
1985~1989年，Jeff Dahn的研究成果主要包括对锂离子电池架构的尝试与探索。Jeff Dahn尝试了LixZrSe2、LixCuyMo6S8、LixTiS2、Li2NiO2等，并于1993年申请了锂化二氧化镍及其制备的二次电池专利——具有化学式LixXNi2-xyMyO2的锂化二氧化镍阴极活性材料。
1990~1992年，Jeff Dahn对阴极材料的研究情有独钟，研究了大量阴极活性材料、粘合剂，以及将锂嵌入碳电极的工艺。他的研究成果包括：
（1）在PC和EC电解质的50:50混合物中使用的Li /石墨和Li /石油焦炭电池仅在首次放电时才显示不可逆的反应；
（2）通过两种不同的插层化合物制造可充电的LiNiO2电池；
（3）LixCOO2中锂嵌入的电化学和原位X射线衍射研究，等等。其中，Jeff对电池负极的贡献非常大。锂离子电池电解液的配方中含有EC已经成为工业界的共识，如果没有Jeff提出的EC，石墨不可能成为成熟的锂离子电池负极。这些成果至今仍然经常被学术论文引用，足可见其影响力。
1994年起，Jeff Dahn将目光转向了阳极材料。他尝试了将石墨碳插入化合物、酚醛树脂前体碳插入化合物、碳质主体化合物等方式改进电池阳极。
1996年，Jeff Dahn与3M展开合作。但在1999年Jeff仍将“锂锰氧化物等固溶体材料的制备方法”专利授予Moli（此时已更名为NEC Moli Energy）应用，这种方法可制备出适合作为锂离子可充电电池阴极的材料，仅用两步法即可合成锂化的锰氧化物。
在Moli Energy的5年全职研发经历，让Jeff Dahn感受到了研究成果工业化的重要性。自此开始，Jeff一直致力于将高校研究与产业研发成果紧密结合。
2. 3M的电池工业研发
Jeff Dahn自1996年开始与3M开始合作，极大地填补了3M锂离子电池领域的专利空白。截至目前，Jeff Dahn与3M合作期间的研发大量产品仍然在市场上流通广泛。与3M合作期间，Jeff Dahn的两项最重要的发明均落地这段时间——NMC三元电池和高精度库仑法。其中，NMC的研究成功，极大地撼动了磷酸铁锂在电动汽车电池届的地位，在当时的“专利大战”中杀出了一条血路。
2001年4月，Jeff Dahn发明了可以规模商业化的镍钴锰三元复合正极材料，由于他精确地限定了NMC中镍的含量，业界公认Jeff是三元材料真正的开创者和发明者。同月，3M向美国申请了编号US6964828B2的基础核心专利，意味着只要使用三元体系，就无法避免使用到这项专利。
2012年，随着Tesla的飞速崛起，马斯克将研发团队的扩充作为重要任务，3M也无法避免“被挖角”的命运，这也成为了3M解散锂电研发部门的契机。3M采取了“人走专利权留下”的策略，开始通过对外输出专利和技术合作的方式获取利润，并有优美科、松下、三星、杉杉、湖南瑞翔等企业合作伙伴。其中，优美科与3M采取了深度绑定策略，即优先向对方提供专利授权和技术合作。同样地，这段时间，Jeff Dahn也为优美科提供了很多专利的使用权。
除了三元电池，Jeff Dahn在3M的主要任务还包括电解液添加剂、锂盐添加剂的开发以及电解液与电池正、负极的反应改进。思维超前的Jeff Dahn将关注点集中在粘结剂、添加剂、催化剂以及纳米复合材料上，粘合剂方面，Jeff提出了羧甲基纤维素钠、Nafion等；添加剂包括碳酸亚乙烯酯（VC）、C3H9B3O6、LiN(CF3SO2)2等；催化剂方面有Co—C—N还原催化剂、Fe—C—N减氧催化剂等。LiTFSi至今仍然是3M的强势产品。
Jeff Dahn在与3M合作期间进行了大量电极、电解液以及添加剂的新尝试，合作后期的Jeff也开始着眼于电池寿命的改善、电池老化的机理、电池效率的改善等，这些为他后期与Tesla的合作奠定了基础。
3. Tesla 电池材料的研发
Jeff Dahn与Tesla合作，旨在开发寿命更长，成本更低的锂离子电池。Jeff Dahn在合作之初就表示：从理论上讲，只需将锂离子电池充电至更高的电压即可轻松提高其能量密度。问题是这样做时，电池的使用寿命会受到损害。因此，锂电池的性能改善始终是寿命和能量密度之间的权衡。
JeffDahn和他的电池实验室在Tesla工作期间，着重对电池的失效机理和高端催化剂进行了研究。从开始合作起，Jeff Dahn 研究小组就陆续取得突破成就。2016年，Jeff Dahn实验室开始着手研发无负极锂电池，改善其阻抗的快速增长和气体的产生；2017年，Jeff实验室对助剂、电池性能的改善和电池负极硅含量的调整进行了研究；2018年，Jeff 重点关注电池的循环效率、无阳极锂电池性能，研究了富镍LiNixMnyCozO2的结构、电化学及性能，为2019年无钴电池概念的提出奠定了重要基础；2019年，Jeff团队对电池性能的改善、寿命的延长做出了贡献，并对阻抗进行了更加深入的研究分析。2019年底，具有核壳结构的无钴富镍正极材料正式面世，并于2020年在工业界掀起轩然大波。
四、Jeff Dahn的人生感言
“我认为托马斯·爱迪生也许说得最好，99％的汗水和1％的天赋。” Jeff说。“我告诉我的学生，当你进行研究时，如果一年中有四个或五个惊喜时刻，那就是个好年头。”
Jeff将所有精力投入到研究和团队合作上，一直在攻克各种各样的问题和挑战，在这40年中，Jeff最引以为傲的就是他的学生。
“多年来，我很幸运和一些非常出色的研究生和博士后工作。我现在有来自突尼斯，爱沙尼亚，泰国，中国，美国，加拿大，印度的学生。拥有如此丰富的文化组合真是太好了。每个人都有不同的处理问题的方式。能够将这些多元化的特色放入实验室中确实是一种荣幸。会使实验变得有趣。”
当问到他为下一代研究人员提供的最有价值的建议是什么？Jeff说“你必须爱你所做的事，对于研究人员而言，那是最重要的事情。”
资料来源：
厦门大学新闻网、Jeff Dahn Research Group、商业新知网、风口调研、Closnail、电池中国。
（中国粉体网编辑整理/初心）
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