对话杰出科技青年奖获得者｜东北大学教授李犁：让科学发现、技术发明和产业发展在同一创新飞轮上高速旋转
人物简介
李犁，东北大学冶金学院教授、博士生导师。专注冶金物理化学、功能新材料与新能源材料研究，深耕绿色冶金、电化学储能、资源回收利用方向，在碳基催化、固废资源化、电催化剂及钠电材料领域取得多项原创性成果，填补国内技术空白，助力双碳产业发展。
科研项目
主持国家高层次人才项目、国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”等国家及省部级重点项目二十余项，围绕碳基催化材料、电化学固废回收、电催化转化、钠离子电池材料等方向开展系统性攻关。
学术成就
在《National Science Review》《Angewandte Chemie》《Nature Communications》等国际顶级期刊发表SCI论文百余篇；获授权发明专利多项；先后斩获TMS青年领袖奖、英国皇家化学会RSC青年奖等二十余项国内外重要学术奖项。
推广实效
多项技术完成小试验证、进入中试阶段，碳基催化材料、低温熔盐回收技术、锰基钠电正极材料等与行业头部企业开展联合开发；技术可显著降低氢能、储能、资源回收领域成本，支撑辽宁绿色低碳产业升级。
一、多孔结构的均一性和掺杂位点的精确控制仍是工程化难点
提问：您团队开发的氮/硫共掺杂碳材料在性能上接近商用铂碳催化剂，成本优势明显。请问这类材料在燃料电池和金属-空气电池市场中的替代潜力如何？目前是否已与下游企业展开合作测试？预计何时能实现规模化应用，对氢能产业链降本将产生怎样的影响？
李犁：铂碳催化剂在质子交换膜燃料电池的强酸性环境中仍是难以替代的核心催化材料，短期内难以撼动。但在碱性燃料电池、金属-空气电池阴极，以及作为辅助催化剂载体这三个场景中，我们的无金属碳基材料具有极高的替代潜力。因为它不仅解决了铂的资源稀缺性问题，更在抗毒化(如甲醇渗透)和长循环稳定性上展现了特有优势。目前我们确实在与几家头部电堆企业和材料供应商进行联合测试。痛点在于，实验室批次是克级制备，性能均一性可控；但到公斤级乃至百公斤级中试放大时，多孔结构的均一性和掺杂位点的精确控制仍是工程化难点。乐观估计，在特定场景的小功率金属-空气电池中，有望在未来1-3年内实现应用示范。至于对氢能产业的降本影响，它的核心价值在于将每千瓦催化剂的材料成本降低60%-70%甚至更多，这对于大规模储能侧或非车规级场景的氢能应用，将是一种底层性的降本逻辑重塑。
二、技术如突破耐久性瓶颈，可为车规级燃料电池提供不受贵金属期货市场影响的技术基础
提问：您的Fe/Cu-N-C双原子催化剂在燃料电池中表现优异，但规模化制备中的均匀性和重复性是关键瓶颈。团队在解决这些问题时，是否与催化剂生产企业开展合作？预计其成本相比铂基催化剂能降低多少？未来在车载燃料电池市场中的竞争优势体现在哪些方面？
李犁：双原子催化剂的工程化是科学问题向技术问题转化的典型难题。控制一个金属原子的落位已经很难，同时控制Fe和Cu两种原子产生特定的协同构型，这在规模化制备中是对合成工艺极限的挑战。为解决均匀性问题，我们团队正从合成后表征筛选转向合成过程精准控制。我们已经与国内几家催化剂量产企业启动了合作预研。关于成本，基于非贵金属的前驱体，我们测算制造成本有望控制在大幅低于现有铂基催化剂，但核心瓶颈在于量产一致性与良品率。目前看来，设备摊销和质检成本占比高于预期。在车载燃料电池市场，我认为它的优势不仅是绝对成本低，更在于长周期的供应安全。铂是战略资源，价格波动剧烈；而铁、铜等大宗金属的供应链稳定得多。一旦技术突破耐久性瓶颈，它能为车规级燃料电池提供一个不受贵金属期货市场影响的技术基础。
三、头部电池回收企业看重我们的废旧正极材料混包料的兼容处理能力
提问：您的低温熔盐电解技术在废旧锂电池回收中展现出低能耗、低排放的优势。请问这项技术的回收成本是否已具备与传统湿法/火法工艺竞争的能力？目前中试阶段的处理能力如何？是否已与电池回收企业或车企达成合作意向？从投资角度看，初始投入和回收期大致是多少？
李犁：这是一个很好的商业落地问题。我们做过详细的技术经济分析对比。传统的湿法冶金，酸碱消耗大，废水处理成本占比高；火法能耗极高。我们的低温熔盐技术是直接再生路线，不涉及稀有金属的分离与精炼，而是将废旧正极材料通过低温熔盐介质中的结构修复与组分调控，直接转化为可用的高性能电池材料。成本竞争力的核心不在于单纯比价，而在于总拥有成本更优。我们的工艺流程显著缩短，碳排放极低，在全球碳边境调节机制持续推进的背景下，这是一项重要的隐性优势。目前，我们搭建的小试线已验证了从废旧锂电池中直接再生正极材料的技术可行性。针对混合废料体系，我们能够实现高效、选择性的物相修复与杂质调控，再生材料的关键性能指标表现良好。已有头部电池回收企业通过联合实验室与我们对接，他们尤为看重我们的技术对废旧正极材料混包料的兼容处理能力。初期投入主要集中于特殊电化学反应器的定制和惰性气氛控制系统的建设，确实比传统破碎分选产线略高，但流程缩短带来的占地和能耗下降可部分抵消这部分成本。根据我们的模型，在将碳积分和绿色溢价纳入综合核算后，项目的投资回收期具有明显的市场竞争力。
四、智能化方案可将非标原料的处理过程标准化，提升系统的鲁棒性，降低预处理成本，这也是挖掘经济性的关键
提问：面对固废来源复杂的问题，您是否考虑引入AI算法优化回收工艺参数，以实现对不同原料的高效处理？这种智能化回收方案在提升经济性和稳定性方面的潜力如何？从产业适应角度看，这项技术能否应对未来电池材料体系变化(如固态电池)带来的挑战？
李犁：这正是我们下一步重点突破的交叉方向。冶金过程在线监测的手段太少，面对复杂来源的固废，批次成分波动极大，靠人工经验调参效率太低。我们已经与计算机学科团队合作，构建原料特征、工艺参数、产物性能的数据闭环，利用机器学习预测最优电解电压、电流密度和熔盐配比。这种智能化方案的核心潜力在于，它能将非标原料的处理过程标准化，极大提升系统的鲁棒性，从而降低预处理成本，这是挖掘经济性的关键。关于应对未来挑战，我认为，面对像固态电池这种全新的材料体系，智能化回收是很好的出路。传统的物理分选-湿法流程，一旦电芯化学体系变了，整条产线可能需要进行巨大调整。而基于AI驱动的电化学回收平台，理论上只需在数据库中加入新体系材料的理化性质，模型就能推导出新的回收窗口，不需要重构硬件。这有望解决回收产业最怕的资产沉没风险。
五、开发更温和的替代氮源，源头规避氨气的储运和泄漏风险
提问：您提出的氨气诱导合成策略显著提升了钠离子电池正极材料的倍率性能。请问该策略在规模化生产中是否存在气体安全风险和成本压力？相比现有正极材料，成本优势如何？是否已与电池企业开展联合开发，以推动钠电池在储能和低速电动车领域的应用落地？
李犁：您提到的气体安全风险确实是关键。我们采用的氨气诱导并非简单通氨，我们是通过含氮前驱体的原位热分解，在晶格层面精准引入氧空位和特定掺杂，目前也在积极开发更温和的替代氮源，因此从源头规避了氨气的储运和泄漏风险。我们做锰基层状氧化物，是立足于去钴化和低成本化。锰资源丰富且便宜，我们的合成路线减少了昂贵的共沉淀过程。因此，综合物料与制造成本，与高镍三元或磷酸铁锂相比，具有特定场景下的成本优势。目前，我们正与深耕储能和两轮车电池的企业合作，提供公斤级正极材料样品进行软包电池评测。应用落地可能最先从对成本极度敏感、对能量密度要求相对宽松的低速电动车和备电储能市场打开突破口。
六、非贵金属催化剂大规模应用的关键环节简析
提问：您的非贵金属催化剂在实验室性能优异，但工程化仍是最大挑战。从产业视角看，这类催化剂要实现大规模应用，需要克服哪些供应链和成本障碍？目前国内催化剂产业链的配套能力如何？预计何时能完成从实验室到中试再到量产的跨越？
李犁：从产业视角来看，非贵金属催化剂要实现大规模应用，确实需要跨越从性能优异到稳定可靠之间的工程化鸿沟。供应链方面，主要关注原材料的批量一致性、杂质控制以及长期供应稳定性；成本方面则不仅涉及原料本身，还包括制备工艺的放大效率、设备投入以及全生命周期的使用成本。目前国内催化剂产业链的配套能力正在快速完善，尤其是在基础化工原料、非贵金属前驱体、以及部分关键制备装备领域已形成较好基础，部分环节已达到国际先进水平。关于从实验室到中试再到量产的跨越，这一进程取决于材料体系、应用场景以及上下游协同的成熟度。总体来看，随着政策对绿色制造和关键材料自主化的持续重视，以及越来越多技术团队与企业深度合作，未来3到5年将是这一领域工程化突破的关键窗口期，部分成熟体系有望率先实现百吨级以上规模的稳定生产与应用验证。
七、通过共同研发及共建联合实验室实现短期技术攻关
提问：您的研究形成了从材料设计到废料回收的闭环创新链，具有很高的商业价值。请问这种闭环模式在降低产业链成本、提升资源利用效率方面有哪些具体经济效益？在推动产业化过程中，高校如何与企业、资本形成有效协同，构建可持续创新生态？
李犁：闭环逻辑的商业价值在于将生命周期的末端成本转化为起始价值。例如，我们设计的催化剂，一开始就考虑其失活后，哪种核心活性中心易在特定电化学条件下回收。这种模式将材料供应链重构为循环链，能大幅降低全生命周期的资源消耗，对冲原材料价格风险。关于协同，我认为高校的角色是播种和探路，必须做企业现在做不了、5年后可能需要的技术。我们通过共同研发以及共建联合实验室来完成短期技术攻关，可以通过技术授权、技术转化的方式，将原创成果交给专业的公司去开拓市场。
八、推进碱性与AEM路线 时机成熟，不排除成立独立的材料科技公司
提问：绿氢是当前资本与政策的热点。您在HER/OER催化剂上的布局更倾向于碱性、PEM还是AEM电解水路线？各条路线的市场空间和成本结构如何？目前与电解槽企业的合作进展如何？未来是否有计划成立初创公司或进行技术授权，以加速产业化落地？
李犁：技术上我们三条路线都有布局，但侧重点有所不同。基于我们开发的非贵金属催化剂，当前最具产业化潜力的耦合点是在碱性电解水和新兴的阴离子交换膜电解水领域。质子交换膜虽然有动态响应优势，但强酸环境与贵金属的刚性需求，与非贵金属路线天然不匹配。阴离子交换膜则结合了碱性与质子交换膜的优点，是非贵金属催化剂极具应用潜力的技术路线。市场空间看，短期内碱性电解水仍是绝对主力，但阴离子交换膜被视为颠覆性技术。成本结构上，阴离子交换膜若能突破膜与离聚物瓶颈，系统成本有潜力大幅低于质子交换膜。我们与几家电解槽企业都有合作，我们主要致力于提供阳极侧的析氧催化剂配方与制备工艺。我们的确在规划，对其中1-2项最成熟的催化剂制备技术，以技术授权+技术服务的模式快速推向市场。时机成熟时，不排除成立独立的材料科技公司。
九、能与头部企业形成协同、实现进口替代或绿色转型突破的团队，迎来发展窗口期
提问：作为国家级领军人才，您认为在高端功能材料和绿色制造装备领域，我国产业链的自主可控能力在哪些环节最薄弱？从投资和政策角度看，哪些细分领域最需要资本和政策倾斜，以突破“卡脖子”环节？您如何看待当前国内该领域的创业环境和投资热度？
李犁：在高端功能材料和绿色制造装备领域，我国产业链的整体自主可控能力正在快速提升，部分环节已形成明显竞争优势。当然，任何产业链的发展都会有一些需要持续强化的环节，比如部分关键原材料的提纯技术、高端装备的长期可靠性验证、以及某些基础工艺的工程化能力等。从投资和政策角度来看，应更多关注那些具有战略意义、技术门槛高且能带动上下游协同创新的细分领域，例如高端电子功能材料、绿色制造工艺装备、以及可回收高性能电池材料等。资本市场对具备核心技术壁垒和明确应用场景的项目保持高度关注，尤其是那些能够与头部企业形成协同、实现进口替代或绿色转型突破的团队，正迎来较好的发展窗口期。
十、与产业龙头和资本共建新型研发机构，探索市场化运营
提问：面向“双碳”目标，您团队在绿色冶金与先进储能方向的下一个重点布局是什么？哪些技术路线最具商业化潜力？预计这些技术在未来5-10年对新能源车、储能、氢能等产业的经济贡献有多大？在产学研融合方面，是否有计划引入产业资本共建联合实验室或孵化创新企业？
李犁：未来五年，我们团队将紧扣绿电、绿氢、绿材这一核心链环。一是将电化学合成从回收端拓展到制造端，实现材料的低碳制备；二是开发适配直接空气碳捕获和工业烟气CO2电化学还原的高效催化材料。短期内，固废选择性电化学回收与钠离子电池正极材料最接近商业化。未来5-10年，低温电化学回收技术若实现对主要动力电池型号的广泛覆盖，有望显著提升我国电池关键原材料的循环利用水平，增强资源内生的保障能力；而锰基钠电正极材料在储能领域的大规模应用，则可通过资源丰富、成本可控的技术路线，有效优化我国能源存储的原料结构，形成与现有体系互补的缓冲空间。在融合上，我们正计划围绕电化学绿色制造这个主题，整合冶金、化工、人工智能等多学科，与产业龙头和资本共建一个新型研发机构，探索市场化运营，让科学发现、技术发明和产业发展在同一创新飞轮上高速旋转。这不仅仅是技术转化，更是创新方式的变革。
图片来源：东北大学官网
文｜季绍华、孟庆杨