南開大學先進能源材料化學教育部重點實驗室位于南開大學和天津大學之間的一棟俗稱聯(lián)合樓的建筑中。這棟綠色建筑里的學者，幾乎都是搞新能源研究的。但南開大學化學學院院長、中科院院士陳軍的實驗室顯得與眾不同：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，陳軍院士團隊在“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用，這類電池材料具有廉價、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，為電動汽車、規(guī)模儲能等重大應用提供了新選擇。
 

　　結(jié)緣電池，源自年幼時對手電筒的好奇
 

　　“電池是儲存化學能，并把它轉(zhuǎn)化成電能的體系；電池研究有兩個重點，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，就是通過納米化學和能源材料的交叉學科研究，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，從中國科學院院長、學部主席團執(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部新晉院士中最年輕的一位，此時距離他從事電池研究已經(jīng)有28年。
 

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

　　如果說當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、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是必然趨勢。”陳軍團隊的“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。陳軍團隊通過設(shè)計，將醌類化合物應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93%，容量遠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特聘教授。30平方米的實驗室里空空蕩蕩，陳軍幾乎從零經(jīng)費起步開展研究。
 

　　當年，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，陳軍反復設(shè)計實驗方案，反復改進實驗操作，可無論如何努力都做不出預想結(jié)果。正在他懷疑自己是不是搞錯了的時候，2006年英國一個實驗團隊搶了先：該團隊在“鋰空氣電池”研究方面率先取得突破并在國際頂尖雜志《美國化學會志》上發(fā)表了論文。“論文完全印證了我們的實驗思路。”后來，陳軍發(fā)現(xiàn)問題竟然出在實驗設(shè)備漏氣，導致實驗原材料遇到氧與水，發(fā)生副反應造成電池失效。
 

　　雖然錯失了在“鋰空氣電池”研究領(lǐng)域拔得頭籌的機會，但陳軍并未氣餒。電池研究本身就是多學科交叉，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。“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生。他始終關(guān)注項目的創(chuàng)新性和可行性，他認為一個有責任心的科學家應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。他帶領(lǐng)團隊，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，康奈爾大學材料化學家阿徹（Archer）評價其材料“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為“在低成本和穩(wěn)定的鈉離子電池應用中展現(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”欄目報道……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）全球高被引科學家和愛思唯爾（Elsevier）中國高被引學者；獲授權(quán)發(fā)明專利16項……
 

　　院士頭銜，意味的是擔負更大的責任
 

　　2004年陳軍為本科生講授能源化學課時，使用的是他自己主編的《能源化學》，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里起到重要作用的觀點，現(xiàn)在已經(jīng)被證實。
 

　　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，那就是責任更大。”
 

　　“大家來說一說手機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術(shù)與應用前沿，他喜歡在課堂上介紹最新的成果突破，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。實驗室吸納了從大一到大四的多組本科生，開展“我愛實驗室”科研訓練和創(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，即使研究出再先進的電池也沒有意義。”陳軍常這樣對學生說。用過的電池，陳軍都不會隨手丟棄，他會帶到實驗室里，以化學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”研究與實踐項目認定結(jié)果，陳軍主持的“新能源科學與工程專業(yè)”入選能源、電氣、核工程類項目群，將為“新能源科學與工程專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)體系”建設(shè)提供新理念、新標準、新模式、新方法、新技術(shù)。