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发布日期：2024-10-11 作者：华体会
用时8年，历经100屡次尝试掉败后，孟颖团队终究成功研发出全球首个无负极钠固态电池。
在此之前，钠电池、固态电池和无负极电池都已呈现，但没有人可以或许成功地将这三种设法连系起来。这类新型电池布局不变、平安性高，可轮回数百次，而且具有环保、低本钱的长处，为将来电池手艺的成长斥地了新的路径。
相干功效日前已颁发在Nature Energy。论文通信作者孟颖（Ying Shirley Meng）是美国芝加哥年夜学普利兹克份子工程学院份子工程传授；美国加州年夜学圣地亚哥分校（UCSD）博士后研究员Jihyun Jang同为该论文的通信作者；UCSD博士生Grayson Deysher为该论文的第一作者。
Nature Energy论文
孟颖专注在材料科学研究已有26年，颁发了300多篇科学论文，并具有10多项专利。她告知《中国科学报》：“论文和专利都是副产物，培育出优异的学生天然会有好的研究功效。对我而言，学生的成长与成功，才是我连结科研热忱的最年夜动力。”
孟颖
“科研没有捷径”2016年，正值电池手艺蓬勃成长的阶段。那时还在UCSD纳米工程学院任副传授的孟颖，取得了美国国度科学基金会（NSF）的帮助，开启了这项首创性课题，研究无负极钠固态电池。
现在普遍利用的锂离子电池，其实有一些固有短板，如资本稀缺，开采进程轻易造成情况污染等。这致使其出产和利用受限，本钱居高不下。比拟之下，钠资本加倍丰硕且本钱低廉，有望实现更经济的电池解决方案，成了电池手艺将来成长的主要标的目的。
但是，制造出与锂电池能量密度不异的钠电池绝非易事，需要降服材料和手艺方面的诸多挑战。此中，寻觅合用在钠固态电池的负极是一个难以解决的问题。
“虽然有很多同业进行了多种负极材料的测验考试，但结果均不尽如人意。我们就想到，假如能采取无负极（anode-less）的概念，可能会是一种有用的解决方案。”孟颖说。
无负极电池具有重量轻、体积小和本钱低的长处。因为其电池布局只有一个金属正极，当电池充电时，金属离子从正极迁徙到集电器并沉积。在电池放电时，集电器会姑且充任负极的脚色，使其可以或许以与金属离子电池近似的体例放电。
但是，无负极电池的研举事点一样凸起，就是若何实现电解质和集电器之间的杰出接触。利用液体电解质时，这凡是很是轻易，由于液体可以活动到遍地并润湿每一个概况，可是固体电解质没法做到这一点。
为此，孟颖团队确立了4个要害设计原则：电化学不变的电解质、固体电解质和集电器之间慎密而安稳的固-固界面接触、致密的固态电解质隔阂，和致密集电器。
无负极示意图和能量密度计较
遵守这些设计原则寻觅合适的材料，是一项很是复杂、耗时，且本钱极为昂贵的研究工作。
“科研没有捷径。因为没有现成的固态电解质材料、正极材料和隔阂，每个步调所需的材料都需要我们本身建造，全部尝试极具挑战性。”孟颖说。
为了制造出电解质和集电器之间具有完全界面毗连的全固态电池，研究团队在履历100屡次尝试掉败后，开辟了一种包抄电解质的集电器。他们采取具有近似液体活动性的固体铝粉，取代传统金属铝箔构建集电器。在电池组装进程中，当铝粉沉积并笼盖电解质时，会在高压下致密化，从而构成一个固体集电器，它可以或许与电解质连结液体般的慎密接触。
另外，研究团队发现了一种电化学机能不变的固体电解质——硼氢化钠（NBH）。它可与颗粒状铝集电器实现近乎完善的接触。这也是研究团队可以或许成功研发无负极钠固态电池的要害之一。
硼氢化钠形态评估
虽然硼氢化钠很贵，每50克需要破费2000多美元，孟颖仍是选择“下血本”，为团队供给足够的资本完成尝试。由于她十分清晰：“科研工作很是花费资本，每篇好文章的背后都是庞大的人力、时候和金钱的投入。为了完成这项研究工作，咬咬牙我们也要做。”
2023年11月1日，研究团队投稿给Nature Energy编纂部，论文在2024年7月4日被顺遂领受。
8年长跑终究达到一个里程碑。孟颖说：“科研工作犹如马拉松，需要持久的投入和对峙。”她暗示，要将电池手艺的研究功效转化为现实利用产物，还需要进一步的工作，“我们只是方才最先，要走的路还很长”。
解决困难需要一些疯狂的点子孟颖自2008年起一向专注在钠电池研究，在该范畴堆集了丰硕的常识、经验与手艺。在她看来，持久的科研堆集为全部研究工作奠基了成功的基石，其成功的最年夜法门在在多元化的团队组成和协作体例。
“我很是正视多元化。是以，在组建研究团队时，会将分歧文化、国籍，和分歧专业布景和研究经验的成员放在统一小组中，配合解决一个主要的问题。”孟颖说。
这项研究的团队成员年夜多来自孟颖课题组。例如，论文第一作者Grayson，他在插手孟颖的课题组之前，首要从事二维材料研究，从未接管过正规的电化学练习；配合通信作者、孟颖课题组博士后研究员Jihyun Jang曾在三星研发部分工作多年，具有丰硕的工业研发经验。另外，该研究团队还吸纳了工业界回流学者，和非材料科学布景的科研人员。
“解决科研困难需要一些疯狂的点子。”孟颖告知《中国科学报》。在她看来，那些没有电池研究经验的成员，由于不清晰坚苦的水平，反而更英勇地去测验考试新事物，常常可以或许提出斗胆、怪异的设法，这对解决科研困难时更有益；具有其他科研布景的团队成员在面临坚苦时，比拟持久从事电池研究的科研人员，其分解问题息争决问题的体例和方式更别致。
孟颖指出，无负极钠固态电池不但是一项跨学科研究，也是学术研究和工业实践的连系。
在她的团队中，近一半的博士后具有在工业界工作的经验。他们在解决电池相干的现实问题和手艺利用方面堆集了丰硕的经验，这些经验为无负极钠固态电池的开辟供给了主要的开导和实践指点。
“博士练习是一个很是漫长和艰辛的进程。我的研究团队很是接待从工业界回归学术界的研究人员，这些学生履历过糊口和工作的挑战，很是清晰本身想要甚么。这使他们在研究中很少呈现苍茫或掉落的环境，也不轻易在标的目的上发生猜疑。”孟颖弥补道。
多元化的组成，使得孟颖的团队在解决科研困难时可以或许独辟门路，并采取立异方式。分歧布景的成员相互共同，发生了奇奥的结果，配合促进了无负极钠固态电池的成功开辟。
对数据负责，长短常主要的工作孟颖诞生在杭州，后到新加坡南洋理工年夜学攻读本科。她科研生活生计中第一个“Wow moment”，就是在这里产生的。
在本科进修的后两年，孟颖介入了陶瓷超导材料研究。当她成功制备出具有超导机能的材料，并目击磁悬显现象的那一刻，她感应全身的汗毛都竖了起来，“那种震动，的确难以用言语形容，就像是亲眼目击了古迹的产生”。
材料科学的奇异与魅力，一下锁住了她研究材料科学的心。
2000年本科卒业后，孟颖成了美国麻省理工学院（MIT）最年夜国际研究打算——新加坡-麻省理工学院研究与手艺同盟（SMART）项目标博士生，师从美国国度工程院院士Gerbrand Ceder。她的第一个博士研究课题是利用第一性道理计较设计新型电池材料，以完全代替钴。在这项最新颁发的研究中，孟颖团队也是利用第一性道理计较的密度泛函理论（DFT），找到了具有高离子导电率的钠离子导体材料。
2005年博士卒业后，孟颖来到MIT继续博士后研究。尔后的十几年里，她展转多所美国知名高校和科研机构，逐步成长为材料科学范畴的闻名科学家。
时至本日，孟颖已在科研道路上走过了26年。虽然糊口和职业生活生计产生了诸多转变，可是她对材料科学研究的酷爱和对峙始终未变。
孟颖坦言，她的科研立场和理念深受2位闻名科学家的影响——2019年诺贝尔化学奖得主、英裔美国化学家Michael Stanley Whittingham，和年夜英帝国爵级司令勋章（DBE）的取得者、英国剑桥年夜学传授Clare Grey。
孟颖2008年在佛罗里达年夜学担负助理传授时，最先与Michael Stanley Whittingham合作。后者自20世纪70年月起从事锂电池研究，直到2019年才取得诺贝尔奖的承认。“Whittingham很是享受传授的工作，乐在缔造常识。虽然他的工作曾持久未被承认，可是他从未感应不满或埋怨，而且始终撑持年青研究者，即便在取得诺贝尔奖后也未改变，这对我影响很年夜。”孟颖说。
经由过程科学研究为社会和人类带来积极的改变，这是孟颖做科研的初心。同为女性科研工作者，Clare Grey强调科学家要苦守初心，专注在科学研究，而不是行政脚色。孟颖恰是受她影响，始终苦守在科研火线。
作为导师，孟颖的讲授气概一贯以严酷著称。她正视原创研究，常常向学生提出一些看似不成能完成的要求，常常是超越预期尝试方针的挑战。
“有时，学生会和我埋怨，认为我提出的要求太坚苦。我会告知他们，‘你必然要做出来，否则不克不及卒业’。”孟颖说。电池是一个很是“内卷”的研究范畴，峻厉的讲授不但确保了研究质量，也让学生在竞争剧烈的范畴中脱颖而出。
另外，在任何研究颁发前，孟颖常常要求第一作者之外的团队成员复实际验数据，并签订《体谅备忘录》（MOU，一种表达两边意向和共鸣的文件），只有在确认数据的靠得住性后，才会斟酌颁发论文。
“对数据负责长短常主要的工作，我认为科学家必需有本身的伦理底线。科学研究应当有坚实的数据撑持，而不是小我不雅点。”孟颖说。
在对学生严酷要求的同时，她一样正视学生的周全成长，鼓动勉励他们加入社交勾当，培育活动、音乐等爱好快乐喜爱，在学术之外的范畴寻求均衡和成长。孟颖认为：“科研的意义在在改良人们的糊口，假如科学家本身都没有杰出的糊口质量，又若何帮忙他人改良糊口。”
每过3到5年，孟颖课题组的成员会“更新迭代”。作为导师，她享受与这些来自世界各地、科研布景各别的年华体会体育app青人互动，并尽力发掘他们的潜力，帮忙其在科研道路上获得成功。孟颖常对学生说，他们在攻读博士学位的进程中，实际上是在成立本身的事业，而不是仅仅为了拿一份工资。
现在，她已指点了跨越40名博士生和30名博士后，并与此中年夜大都人连结慎密联系。当看到本身的学生获得成功，乃至比她加倍富有时，孟颖感应非常的自豪。这同样成为了她在面临科研中的挑战和压力时，连结积极心态前行的最年夜动力。
论文链接
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01569-9
*本文图片均为受访者供给
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