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【全球唯一Jeff Dahn资料整理集】香港青颐带您深度揭秘Tesla的灵感源泉！
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原文章链接 https://mp.weixin.qq.com/s/i36HNcCTH5Y33N5sJivXbQ 1、 Jeff Dahn 经历简述 提起Jeff Dahn其人，大众可能对这个名字还比较陌生。但是提起Tesla，人们往往都会感慨Tesla的电动车技术高端、电池系统复杂，合作伙伴的专业性极强。Jeff Dahn团队在2016年与Tesla展开战略合作，为Tesla电池升级的时代“启下”。与Tesla的合作不是Jeff Dahn在产研结合方向的首次尝试，在此之前，Jeff已经和3M公司有过20年的深度合作。至今，Jeff Dahn在3M工作期间的专利还在持续创造大量利润。Jeff Dahn在研究领域和工业应用领域均有大量贡献，甚至有学者表示“Jeff Dahn是下一任诺贝尔奖的有力竞争者”。 图1 Jeff Dahn试驾 Tesla Model S Jeff Dahn 于1982年在加拿大的英属哥伦比亚大学（UBC）取得物理学博士学位。在经过3年加拿大国家研究委员会的研究工作后，Jeff在Moli Energy度过了5年的产业研发时光。随后，他在西蒙弗雷泽大学物理学任教，1996年他回到本科母校——达尔豪斯大学担任教授至今。 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。1990年回归高校任职的Jeff依然与NEC/MoliEnergy Canada的研发团队紧密合作；1996年回到达尔豪斯大学后，Jeff Dahn在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JeffDahn携手Tesla，担任Tesla Canada的工业研究主席。Jeff Dahn团队长期致力于研究锂电池能量密度、改善电池寿命和降低电池成本这三大研究方向，和Tesla对动力电池的诉求高度一致。如今，Jeff在技术端取得的各项突破，对Tesla前沿电池技术的商业化应用起到了决定性的作用。 图2 Jeff Dahn 签约时刻 Jeff Dahn研究成果丰富，在学术界和锂电池工业界都享有盛名。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；Jeff Dahn还获得了无数奖项，包括国际电池材料协会（IBA）研究奖、加拿大物理学家协会赫兹伯格奖、ECS电池研究奖和国际电池材料协会的Yeager奖等。贡献众多，思维超前，Jeff Dahn毋庸置疑被称为锂电池领域的研究先锋。 图3 Jeff Dahn获 Elsevier 2016 Energy Storage Materials LectureAward 2、 Jeff Dahn 的产研结合之路 Jeff Dahn于1982年毕业于英属哥伦比亚大学（UBC），完成了他的博士学位。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。毕业后即在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”。 2.1、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。 图4 JeffDahn 1990年部分申请专利 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回到达尔豪斯大学，和3M展开了长达20年的合作。但是这并不意味着他和Moli的缘分的终止，Jeff在1999年将“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。除此以外，Jeff Dahn先后有7名学生在Moli Energy就职，现在Moli Enengy的首席科学家BrainWay（VP级别）正是1996年从Jeff研究小组毕业的博士生。 图5MOLICEL的现任专家团队 2.1、3M 的电池工业研发缪斯 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，JeffDahn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。 在研究过程中，Jeff Dahn经常使用建模方法测量电池材料的热稳定性、助剂对材料的影响等，并会根据需要改进、发明新的测量方式。高精度库仑法就是其中之一，它可以在几周内对锂电池的寿命进行测试，有效缩短研发时间。高精度库仑法是Jeff Dahn在2010开始尝试使用的精密测量法，用来测定库仑效率。它通过使用在不同C速率下进行的实验来探究电池充放电周期诱发的和时间相关的容量损失的影响。Jeff通过发明高精度库仑仪，可以结合电池的其它指标预测电池寿命。 图6 高精度库仑法的首次应用 随后，Jeff Dahn用这种方法继续测量了锂离子电池中电解质添加剂的影响、NCM电极的影响和库仑效率的深度影响、SEI影响等等。2016年，Jeff Dahn凭借此法获得了2016年Governor Generate (Canada) Innovation Award。 同样地，3M作为Jeff Dahn的长期合作伙伴，Jeff共有3名学生进入3M工作。由于3M和优美科的合作， 3名进入优美科的学子，也可以视作“3M效应”了。 Jeff Dahn在于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。 2.1、Tesla 的电池材料灵感源泉 Tesla目前是全球目前最炙手可热的公司之一。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。 图7 Jeff Dahn的研究过程 Jeff Dahn也少不了在Tesla工作的学生，受到Tesla迅速发展的影响，共有5名学生先后进入公司就职。 图4 Jeff Dahn 1990年部分申请专利 3、下一位诺贝尔奖的热门候选人——Jeff Dahn Jeff Dahn作为锂离子电池研究领域的先驱，对行业的贡献极大。截至2016年，他共有超过630篇论文和65项发明专利面世。其中，Jeff Dahn是Li [NixMnxCo1-2x]O2 0<x<0.5（称为NMC）正极材料的联合创始人之一，今天制造的许多锂离子电池都在使用NMC正极材料；Jeff Dahn还研发了高精度库仑法，可将锂离子电池数十年的长寿命归类到仅持续数周的实验中。 Jeff Dahn不仅和Moli、3M和Tesla有过长期合作，还在Medtronic、Columbian Chemicals、Acheson Colloids、Rayovac、Intel、FMCCorp、BP Amoco、Sion Power andPolystor担任过咨询顾问；为Exide、ToshibaAmerica、BYD Americ、ValenceTechnologies、NTT担任过专家证人。Dahn的研究小组也衍生了两家公司——DPM Solution和Novonix。Jeff教授的众多学子在毕业后进入到这些合作公司中工作，继续为研究成果产业化贡献自己的力量。 4、团队简介 图11 Jeff Dahn研究团队合影 Jeff Dahn团队目前共有25名毕业&博士在读生，3名大学生，2名技术支持及1名研究助理，其中共有7名中国人。研究领域包括锂离子电池的失效机理、电解液、正极材料、衰老机制、电池寿命和阻抗研究等等。 表1 Jeff Dahn实验室现任成员 表2 Jeff Dahn团队毕业学生去向 |
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