陳永翀

陳永翀，男，1975年生，博士，中國科學院電工研究所儲能技術研究組組長，電動汽車VEG模式的倡導者。匈牙利德布勒森大學訪問科學家，固態反應與擴散中匈國際合作項目中方負責人。兼任中國先進成形技術與裝備國家重點實驗室特聘研究員，青島新能源材料與技術套用國際論壇學術委員會委員，北京動力鋰離子電池技術及產業發展國際論壇學術委員會委員，葡萄牙固體與液體中的擴散國際會議學術委員會委員，匈牙利擴散與應力國際會議學術委員會委員。

基本介紹

• 中文名：陳永翀
• 國籍：中國
• 民族：漢
• 出生地：中國

簡介

陳永翀，男，1975年生，博士，中國科學院電工研究所儲能技術研究組組長，電動汽車VEG模式的倡導者。匈牙利德布勒森大學訪問科學家，固態反應與擴散中匈國際合作項目中方負責人。兼任中國先進成形技術與裝備國家重點實驗室特聘研究員，青島新能源材料與技術套用國際論壇學術委員會委員，北京動力鋰離子電池技術及產業發展國際論壇學術委員會委員，葡萄牙固體與液體中的擴散國際會議學術委員會委員，匈牙利擴散與應力國際會議學術委員會委員。

自1996年以來，一直從事固態反應擴散與電池材料技術的研究工作。提出了新的固體互擴散生長理論，為描述固相生長規律和處理擴散應力問題提供了系統的理論分析方法；建立了描述固態反應周期層片型結構形成機理的擴散應力模型，解決了二十五年來困擾固態擴散理論界的難題；開發了先進的液相混合與固相合成一體化生產技術，項目成果榮獲2009年中國機械工業科學技術二等獎，項目技術已實現產業化生產；參與研製的錳酸鋰動力電池成功套用於北京2008年奧運會用新型電動公車；2010年底開始鋰離子液流電池技術的研究，已經建立小型示範系統。發表論文30餘篇，申請專利20餘項。

主要學術成果

（1）提出使用原子在不同格點的停留時間差異來表達合金有序度的思想，並給出計算公式。

到目前為止，有序合金擴散理論尚存在兩個重要的問題有待突破。一是如何正確理解原子的熱擴散運動與合金中原子有序排列之間的矛盾；二是能否將擴散係數以外的其它理論參量與原子跳躍遷移的相關實驗測量聯繫起來。為了解決這兩個問題，陳永翀建議使用原子在不同格點的停留時間差異來表達合金的有序度參量[1-2]。當原子在反結構晶格位置的平均停留時間很短時，原子完全可能以最近鄰跳躍的方式在有序合金中遷移而不破壞原子的長程有序排列。以B2-NiGa有序合金為例，根據Ni原子格點停留時間的贗彈性中子散射實驗測定，計算1403K溫度時B2-NiGa合金的有序度為78.9 %。格點停留時間的概念對於理解有序合金中的原子擴散方式有重要意義。

（2）突破傳統的固體化學擴散理論，提出新的固體互擴散生長理論，為擴散理論處理化學計量比相的生長和擴散應力等問題提供了系統的理論分析方法。同時，套用該理論，建立了能夠描述固態反應周期層片型結構形成機理的擴散應力模型。

1982年，荷蘭埃因霍芬技術大學Frans van Loo教授課題組在三元擴散偶實驗中偶然發現了一種特殊的固態反應周期層片型結構。該結構被認為是最為複雜的固態反應擴散現象，其形成機理一直是個迷（圖1）。1995年第一屆擴散與應力國際會議（匈牙利）期間科學家們曾集中討論了固態反應周期層片型結構的形成機理，當時尚無合理解釋。

研究工作首先以質量不守恆的開放流點概念為基礎，通過推導描述固體互擴散生長的普適方程，建立了新的固體互擴散生長理論[3-8]。基於擴散普適方程，通過反應邊界條件的約定和86個方程的推導，建立了描述固態反應周期層片型結構的擴散應力模型和計算機模擬資料庫。理論模型給出了結構生長的定量描述，並定性解釋了目前為止發現的所有重要實驗事實[9-13]，弄清楚了固態反應周期層片型結構特殊的形成機理。相關研究對於溶膠-凝膠反應體系及地質體系發現的Liesegang現象（圖2）的機理研究也有重要參考價值。

（3）在固態反應結構研究領域有重要發現：基於擴散應力模型的推測，2012年在Zn-Cu-Ti三元系中發現了10個反應擴散新體系能夠形成周期層片結構，並首次發現了新的第四類固態反應結構：羽毛狀結構（Feathery structure），該發現對於人們理解多元固態反應擴散區的形貌組織演變規律具有重要的科學價值[14-16]。

目前普遍已知的固態反應擴散區形貌有三類：簡單層片結構、束集結構和周期層片結構。2012年，陳永翀研究團隊在Zn/CuTi2擴散偶中發現了新的第四類固態反應結構，定義為羽毛狀結構（Feathery structure）（圖3）[14]。初步分析認為，羽毛狀結構由束集結構和周期層片結構在平行於反應擴散面的方向交替構成，是周期層片結構不穩定界面生長的結果。羽毛狀結構的發現具有重要的科學意義，因為通過不同形貌結構對比分析後，我們可以發現原來這四類結構完整地體現了三元反應擴散由簡單到高級的動力學演變規律：簡單層片結構的界面不穩定生長形成了束集結構，束集結構的界面不穩定生長形成了周期層片結構，而周期層片結構的界面不穩定生長則形成了羽毛狀結構。自然的奧秘如此精妙地展現在我們面前。

（4）理論研究工作指出經典的Nabarro-Herring擴散蠕變模型的理論基礎存在問題，提出新的擴散蠕變模型，在2011年7月法國舉行的DiMat2011國際會議上就該方向做了特邀主題報告，研究工作對於晶體材料的位錯攀移理論和高溫蠕變控制技術研究可能有重要影響[17-18]。

Nabarro-Herring蠕變模型一直被認為是解釋合金高溫擴散蠕變的經典理論模型。然而，在上個世紀末，O. A. Ruano等人在分析當時幾乎所有已知合金高溫低應力條件下的蠕變試驗數據後發現，按Nabarro-Herring擴散蠕變模型計算的蠕變速率數據與實驗結果吻合度都很不理想，有的甚至相差1000倍。理論研究工作認為，由於Nabarro-Herring擴散蠕變模型僅僅考慮了幾乎不可能存在的空位擴散流，忽略了不均勻力化學勢場導致的原子擴散流，因此在定量處理多晶材料的高溫低應力蠕變數據時有很大偏差。高溫低應力條件下多晶材料的擴散蠕變可以認為是靜水應力作用下的體積蠕變和非靜水應力作用下的形狀蠕變的疊加。由於位錯、晶界等非平衡缺陷的存在，在外界應力的作用下，實際材料中原子的力化學勢場分布並不均勻相等，從而導致不同區域之間原子擴散流的產生，材料發生擴散蠕變。新的理論模型定性解釋了晶界無沉澱區（denuded zones at grain boundaries）的形成機理，並給出了單晶材料Harp-Dorn蠕變現象的理論解釋，認為這是非靜水應力作用下形狀蠕變的結果。

（5）基於電動汽車產業發展的困境認識，提出未來電動汽車技術發展與商業實現的VEG模式（Vehicle—Energy station—Grid，簡稱VEG），進行相關電池技術與電池材料的研發[19]。

不同於美國Amory B. Lovins和Willett Kempton提出的V2G模式（Vehicle to Grid，簡稱V2G），在VEG模式中，電動汽車充電方式由用戶自己選擇，可以在能量站快充，也可以在停車場或家庭車庫進行慢充；能量站安裝有低成本長壽命的MW級儲能電池，能夠從電網充電儲存電量後，給電動汽車快速充電；同時，能量站能夠與電網互動，用於電力調峰或調頻（圖4）。與V2G模式相比，VEG模式有以下優勢：1）VEG要求電動汽車必須能夠實現安全快速充電，但充電方式由用戶自己選擇，電動汽車可以在能量站快充，也可以在停車場或家庭車庫進行慢充，這樣更方便用戶的出行和使用；2）VEG模式增加了位於電動汽車與電網之間的分散式能量站，可以為電動汽車提供快充服務，並能參與電網調峰或調頻，這種集中儲能及供能方式更有利於管理；3）VEG模式並不要求電動汽車直接參與電網調峰或調頻，避免了動力電池的過度損耗，並減少了車網互聯的基建成本。

學術成果

[1] Chen Y C, Zhang Y G, Wei B C, Chen C Q. Diffusion Mechanisms in the Fe3Si Alloys [J]. Journal of Atomic & Molecular Physics, 2003, 20(2): 143-148.
[2] Chen Y C, Qi L, Zhang Y G, Chen C Q. Residence Time for Understanding Diffusion in Ordered Alloys [J]. Journal of Atomic & Molecular Physics, 2005, 22(1): 1-6.
[3] Chen Y C, Zhang Y G, Chen C Q. General Theory of Interdiffusion Growth in Diffusion Couples [J]. Mat. Sci. Eng. A, 2004, 368(1-2): 1-9.（SCI/EI，IF：2.003）
[4] 陳永翀,其魯,張永剛,陳昌麒.固體互擴散生長的唯象理論[J].北京大學學報, 2006, 42(2): 168-174.（EI）
[5] 陳永翀,黎振華,其魯,張永剛,陳昌麒.固體中的擴散應力研究[J].金屬學報, 2006, 42(3): 225-233.（SCI/EI，IF：0.464）
[6] Chen Y C. Thoery of Interdiffusion in Solids [J]. Defect & Diffusion Forum, 2006, 258-260: 52-58.（EI）
[7] Chen Y C. Diffusion-induced Stresses: Theory & Applications [J]. Diffusion & Defect Data, 2007, 264: 99-107.（EI）
[8] Chen Y C, Zhang Y G, Chen C Q. Quantitative Descriptions of Periodic Layer Formation during Solid State Reactions [J]. Mat. Sci. Eng. A, 2003, 362: 135-144.（SCI/EI，IF: 2.003）
[9] Chen Y C, Cui H Z, Ding J, Chen Y B. Experiments Proving the Mixed Control of the Reactive Diffusion System Zn/Fe3Si with Clamp Press [J]. Defect & Diffusion Forum, 2006, 258-260: 59-62.（EI）
[10]Chen Y C, Xu J, Fan X H, Zhang X F, Han L, Lin D Y, Li Q H, Uher C. The Mechanism of Periodic Layer Formation during Solid-state Reaction between Mg and SiO2[J]. Intermetallics, 2009, 17: 920-926.（SCI/EI，IF: 1.649）
[11]Zhang X F, Chen Y C*, Fan X H, Hao G J. Periodic Layer Formation during Solid-state Reactions: Microstructure and Computer Simulation [J]. Procedia Engineering, 2012, 27: 1707-1717.（EI）
[12]Chen Y C, Zhang X F, RenY K, Han L, Lin D Y, Wang Q P. Microstructure Evolution of Periodic Layers Formed during Solid State Reaction between Zn and Ni3Si [J]. Intermetallics, 2013, 36: 8-11.（SCI/EI，IF: 1.649）
[13]Chen Y C, Zhang X F,Han L, Lin D Y, Wang Q P. Recent Experimental Evidence for Diffusion-induced Stresses Model of Periodic-Layered Structure [R]. International Workshop “Diffusion, Solid State Reactions and Phase Transformations on Nanoscale”, Hungary, 2012, p.56.
[14]Chen Y C, Zhang X F, Han L, Du Z W. Periodic Layer Formation during Solid State Reaction between Zn and CuTi [J]. Materials Letters, 2012, 76: 151-154.（SCI/EI，IF：2.307）
[15]陳永翀,張喜鳳,李彥菊,林道勇,王秋平.固態反應周期層片型結構的研究進展[R].第十六屆全國相圖學術會議暨相圖與材料設計國際研討會, 2012，pp.171-173.
[16]Chen Y C, Zhang X F, Li Y J, Ren Y K, Lin D Y, Wang Q P. Feathery Structure Discovered in the Reaction Zone of Diffusion Couple Zn/CuTi2[J]. Materials Letters, 2012, 85: 142-145.（SCI/EI，IF: 2.307）
[17]陳永翀.擴散蠕變理論的基礎問題研究[J].稀有金屬, 2012, 36(2): 171-177.
[18]Chen Y C.A New Model of Diffusional Creep of Crystalline Materials [R]. DiMat2011, Dijon, France, July3-8, 2011, Invited Keynote Lecture.
[19]陳永翀,王秋平.V2G還是VEG？未來電動汽車技術發展與商業模式探索[J].儲能科學與技術, 2013年第3期.