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历时8年、实验失败百次,她取得全球首个突破
来源:《中国科学报》 | 作者:杜珊妮 | 2024/8/18 13:37:54 | 浏览:412 | 评论:0

历时8年,历经100多次实验失败后,孟颖团队终于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经出现,但没有人能够成功地将这三种想法结合起来。这种新型电池结构稳定、安全性高,可循环数百次,并且具备环保、低成本的优点,为未来电池技术的发展开辟了新的路径。


相关成果日前已发表在Nature Energy。论文通讯作者孟颖(Ying Shirley Meng)是美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程教授;美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)博士后研究员Jihyun Jang同为该论文的通讯作者;UCSD博士生Grayson Deysher为该论文的第一作者。

 

历时8年、实验失败百次,她取得全球首个突破
Nature Energy论文


孟颖专注于材料科学研究已有26年,发表了300多篇科学论文,并拥有10多项专利。她告诉《中国科学报》:“论文和专利都是副产品,培养出优秀的学生自然会有好的研究成果。对我而言,学生的成长与成功,才是我保持科研热情的最大动力。”

 

历时8年、实验失败百次,她取得全球首个突破

孟颖


“科研没有捷径”


2016年,正值电池技术蓬勃发展的阶段。当时还在UCSD纳米工程学院任副教授的孟颖,获得了美国国家科学基金会(NSF)的资助,开启了这项开创性课题,研究无负极钠固态电池。


如今广泛应用的锂离子电池,其实有一些固有短板,如资源稀缺,开采过程容易造成环境污染等。这导致其生产和应用受限,成本居高不下。相比之下,钠资源更加丰富且成本低廉,有望实现更经济的电池解决方案,成为了电池技术未来发展的重要方向。


然而,制造出与锂电池能量密度相同的钠电池绝非易事,需要克服材料和技术方面的诸多挑战。其中,寻找适用于钠固态电池的负极是一个难以解决的问题。


“尽管有许多同行进行了多种负极材料的尝试,但效果均不尽如人意。我们就想到,如果能采用无负极(anode-less)的概念,可能会是一种有效的解决方案。”孟颖说。


无负极电池具有重量轻、体积小和成本低的优点。由于其电池结构只有一个金属正极,当电池充电时,金属离子从正极迁移到集电器并沉积。在电池放电时,集电器会临时充当负极的角色,使其能够以与金属离子电池类似的方式放电。


然而,无负极电池的研发难点同样突出,就是如何实现电解质和集电器之间的良好接触。使用液体电解质时,这通常非常容易,因为液体可以流动到各处并润湿每个表面,但是固体电解质无法做到这一点。


为此,孟颖团队确立了4个关键设计原则:电化学稳定的电解质、固体电解质和集电器之间紧密而牢固的固-固界面接触、致密的固态电解质隔膜,以及致密集电器。

 

历时8年、实验失败百次,她取得全球首个突破
无负极示意图和能量密度计算


遵循这些设计原则寻找适合的材料,是一项非常复杂、耗时,且成本极其昂贵的研究工作。


“科研没有捷径。由于没有现成的固态电解质材料、正极材料和隔膜,每一个步骤所需的材料都需要我们自己制作,整个实验极具挑战性。”孟颖说。


为了制造出电解质和集电器之间具有完整界面连接的全固态电池,研究团队在经历100多次实验失败后,开发了一种包围电解质的集电器。他们采用具有类似液体流动性的固体铝粉,代替传统金属铝箔构建集电器。在电池组装过程中,当铝粉沉积并覆盖电解质时,会在高压下致密化,从而形成一个固体集电器,它能够与电解质保持液体般的紧密接触。


此外,研究团队发现了一种电化学性能稳定的固体电解质——硼氢化钠(NBH)。它可与颗粒状铝集电器实现近乎完美的接触。这也是研究团队能够成功研发无负极钠固态电池的关键之一。


历时8年、实验失败百次,她取得全球首个突破
硼氢化钠形态评估


尽管硼氢化钠很贵,每50克需要花费2000多美元,孟颖还是选择“下血本”,为团队提供足够的资源完成实验。因为她十分清楚:“科研工作非常耗费资源,每一篇好文章的背后都是巨大的人力、时间和金钱的投入。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编辑部,论文于2024年7月4日被顺利接收。


8年长跑终于到达一个里程碑。孟颖说:“科研工作如同马拉松,需要长期的投入和坚持。”她表示,要将电池技术的研究成果转化为实际应用产品,还需要进一步的工作,“我们只是刚刚开始,要走的路还很长”。


解决难题需要一些疯狂的点子


孟颖自2008年起一直专注于钠电池研究,在该领域积累了丰富的知识、经验与技术。在她看来,长期的科研积累为整个研究工作奠定了成功的基石,其成功的最大秘诀在于多元化的团队构成和协作方式。


“我非常重视多元化。因此,在组建研究团队时,会将不同文化、国籍,以及不同专业背景和研究经验的成员放在同一小组中,共同解决一个重要的问题。”孟颖说。


这项研究的团队成员大多来自孟颖课题组。例如,论文第一作者Grayson,他在加入孟颖的课题组之前,主要从事二维材料研究,从未接受过正规的电化学训练;共同通讯作者、孟颖课题组博士后研究员Jihyun Jang曾在三星研发部门工作多年,拥有丰富的工业研发经验。此外,该研究团队还吸纳了工业界回流学者,以及非材料科学背景的科研人员。


“解决科研难题需要一些疯狂的点子。”孟颖告诉《中国科学报》。在她看来,那些没有电池研究经验的成员,因为不清楚困难的程度,反而更勇敢地去尝试新事物,往往能够提出大胆、独特的想法,这对于解决科研难题时更有益;拥有其他科研背景的团队成员在面对困难时,相比长期从事电池研究的科研人员,其剖析问题和解决问题的方式和方法更新奇。


孟颖指出,无负极钠固态电池不仅是一项跨学科研究,也是学术研究和工业实践的结合。


在她的团队中,近一半的博士后拥有在工业界工作的经验。他们在解决电池相关的实际问题和技术应用方面积累了丰富的经验,这些经验为无负极钠固态电池的开发提供了重要的启发和实践指导。


“博士训练是一个非常漫长和艰辛的过程。我的研究团队非常欢迎从工业界回归学术界的研究人员,这些学生经历过生活和工作的挑战,非常清楚自己想要什么。这使他们在研究中很少出现迷茫或失落的情况,也不容易在方向上产生困惑。”孟颖补充道。


多元化的构成,使得孟颖的团队在解决科研难题时能够独辟蹊径,并采用创新方法。不同背景的成员互相配合,产生了奇妙的效果,共同促成了无负极钠固态电池的成功开发。


对数据负责,是非常重要的事情


孟颖出生在杭州,后到新加坡南洋理工大学攻读本科。她科研生涯中第一个“Wow moment”,就是在这里发生的。


在本科学习的后两年,孟颖参与了陶瓷超导材料研究。当她成功制备出具备超导性能的材料,并目睹磁悬浮现象的那一刻,她感到全身的汗毛都竖了起来,“那种震撼,简直难以用言语形容,就像是亲眼目睹了奇迹的发生”。


材料科学的神奇与魅力,一下锁住了她研究材料科学的心。


2000年本科毕业后,孟颖成为了美国麻省理工学院(MIT)最大国际研究计划——新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)项目的博士生,师从美国国家工程院院士Gerbrand Ceder。她的第一个博士研究课题是使用第一性原理计算设计新型电池材料,以完全取代钴。在这项最新发表的研究中,孟颖团队也是使用第一性原理计算的密度泛函理论(DFT),找到了具有高离子导电率的钠离子导体材料。


2005年博士毕业后,孟颖来到MIT继续博士后研究。此后的十几年里,她辗转多所美国知名高校和科研机构,逐渐成长为材料科学领域的著名科学家。


时至今日,孟颖已经在科研道路上走过了26年。尽管生活和职业生涯发生了诸多变化,但是她对材料科学研究的热爱和坚持始终未变。


孟颖坦言,她的科研态度和理念深受2位著名科学家的影响——2019年诺贝尔化学奖得主、英裔美国化学家Michael Stanley Whittingham,以及大英帝国爵级司令勋章(DBE)的获得者、英国剑桥大学教授Clare Grey。


孟颖2008年在佛罗里达大学担任助理教授时,开始与Michael Stanley Whittingham合作。后者自20世纪70年代起从事锂电池研究,直到2019年才获得诺贝尔奖的认可。“Whittingham非常享受教授的工作,乐于创造知识。尽管他的工作曾长期未被认可,但是他从未感到不满或抱怨,并且始终支持年轻研究者,即使在获得诺贝尔奖后也未改变,这对我影响很大。”孟颖说。


通过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强调科学家要坚守初心,专注于科学研究,而不是行政角色。孟颖正是受她影响,始终坚守在科研前线。


作为导师,孟颖的教学风格一向以严格著称。她重视原创研究,经常向学生提出一些看似不可能完成的要求,往往是超出预期实验目标的挑战。


“有时,学生会和我抱怨,认为我提出的要求太困难。我会告诉他们,‘你一定要做出来,不然不能毕业’。”孟颖说。电池是一个非常“内卷”的研究领域,严厉的教学不仅确保了研究质量,也让学生在竞争激烈的领域中脱颖而出。


此外,在任何研究发表前,孟颖经常要求第一作者以外的团队成员复现实验数据,并签署《谅解备忘录》(MOU,一种表达双方意向和共识的文件),只有在确认数据的可靠性后,才会考虑发表论文。


“对数据负责是非常重要的事情,我认为科学家必须有自己的伦理底线。科学研究应该有坚实的数据支持,而不是个人观点。”孟颖说。


在对学生严格要求的同时,她同样重视学生的全面发展,鼓励他们参加社交活动,培养运动、音乐等兴趣爱好,在学术以外的领域追求平衡和成长。孟颖认为:“科研的意义在于改善人们的生活,如果科学家自身都没有良好的生活质量,又如何帮助他人改善生活。”


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、科研背景各异的年轻人互动,并努力挖掘他们的潜力,帮助其在科研道路上取得成功。孟颖常对学生说,他们在攻读博士学位的过程中,其实是在建立自己的事业,而不是仅仅为了拿一份工资。


如今,她已经指导了超过40名博士生和30名博士后,并与其中大多数人保持紧密联系。当看到自己的学生取得成功,甚至比她更加富有时,孟颖感到无比的骄傲。这也成为了她在面对科研中的挑战和压力时,保持积极心态前行的最大动力。


论文链接

https://doi.org/10.1038/s41560-024-01569-9

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