文|《中國科學(xué)報(bào)》見習(xí)記者 杜珊妮
凌晨，校園早已被夜色吞沒，而實(shí)驗(yàn)樓依舊燈火通明。連續(xù)拍攝了一整天的電鏡圖，王騰銳早已身心俱疲，但面對(duì)屢屢失敗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他依舊不肯放棄，又一次將希望“押注”在新制備的樣品上。
然而，屏幕上逐漸清晰的圖像，卻再度擊碎了他的希冀——灰白交錯(cuò)間，一道裂紋赫然浮現(xiàn)。更諷刺的是，這道裂紋并非隨意游走的曲線，而是工整地勾勒出一個(gè)端正的“人”字，仿佛有意嘲弄他不知疲倦的執(zhí)著。他盯著裂紋愣了許久，隨即苦笑一聲，喃喃自語道：“唉，又是被實(shí)驗(yàn)教做人的一天！”
“人”字形裂紋的電鏡圖
每當(dāng)回想起深夜被親手燒制的樣品“點(diǎn)名教做人”的那一刻，王騰銳仍會(huì)忍不住笑出聲。因?yàn)槟且还P一畫間鐫刻的，不僅是失敗的荒誕回應(yīng)，更是科研之路上最真實(shí)、最有趣的成長印記。
近日，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級(jí)博士生王騰銳以第一作者的身份發(fā)表了個(gè)人首篇Science論文。他所在的研究團(tuán)隊(duì)首次揭示了固態(tài)鋰電池金屬鋰負(fù)極疲勞失效的新機(jī)制，提出了通過增加疲勞強(qiáng)度來改善固態(tài)鋰電池循環(huán)穩(wěn)定性的新策略，對(duì)實(shí)現(xiàn)下一代長壽命固態(tài)鋰電池具有重要的指導(dǎo)意義。同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授羅巍和華中科技大學(xué)教授黃云輝為論文的共同通訊作者。
美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室杰出科學(xué)家、SLAC-斯坦福電池中心執(zhí)行主任Jagjit Nanda和美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員Sergiy Kalnaus在同期Science期刊上，對(duì)這篇論文進(jìn)行了專題評(píng)述，認(rèn)為“這一成果提供了固態(tài)電池電化學(xué)和機(jī)械疲勞之間的重要聯(lián)系”。
王騰銳
《科學(xué)》論文
帶著懷疑的態(tài)度做科研
王騰銳是山東濟(jì)南人，2013年考入同濟(jì)大學(xué)，一路從本科讀到博士畢業(yè)。這項(xiàng)研究的起點(diǎn)，要追溯至他博士生涯早期的一次意外發(fā)現(xiàn)。
2021年，他正為一篇即將發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）的論文補(bǔ)充鋰金屬負(fù)極材料的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以回應(yīng)審稿意見。
根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論，鋰離子在固態(tài)電池界面的擴(kuò)散速度越快，電極的穩(wěn)定性和循環(huán)性能應(yīng)該越好——這是業(yè)內(nèi)廣泛接受的共識(shí)。但在處理擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)據(jù)時(shí)，王騰銳卻意外地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)反?，F(xiàn)象：性能最穩(wěn)定的鋰-氟化鋁復(fù)合負(fù)極的樣品，恰恰是擴(kuò)散速度最慢的。
“一開始我以為是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)了。”他回憶說，“但反復(fù)檢查實(shí)驗(yàn)過程、擬合方法，甚至更換樣品重新實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果卻始終一致。”
面對(duì)這個(gè)“不合理”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，王騰銳第一次對(duì)既有理論的框架產(chǎn)生了動(dòng)搖：一直以來，我們對(duì)“動(dòng)力學(xué)越快越好”的理解是否存在某種盲區(qū)？是不是除了動(dòng)力學(xué)機(jī)制外，還存在其他的失效機(jī)制？
“這種感覺就像走在一條熟悉的老路上，忽然被一塊石頭絆了一下——雖然不大，卻足以讓我停下來，重新審視整條路徑?！弊源耍活w懷疑的種子在他的心中種下。
近年來，隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)動(dòng)力電池的能量密度和安全性提出了更高的要求，鋰電池固態(tài)化被認(rèn)為是提升這兩項(xiàng)性能的革命性解決方案。但在固態(tài)鋰電池的運(yùn)行過程中，因鋰枝晶生長引發(fā)的電池失效問題一直難以解決，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。而王騰銳的發(fā)現(xiàn)，正觸及這一核心難題。
固態(tài)電池的失效常歸因于界面衰退。此前的理論普遍認(rèn)為，鋰金屬動(dòng)力學(xué)差且鋰擴(kuò)散速度較慢，是導(dǎo)致界面失效的主要原因。但在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次揭示了鋰金屬疲勞現(xiàn)象，并提出了鋰金屬疲勞失效機(jī)制。
“疲勞是鋰金屬固有的特性，就像不銹鋼以及其他金屬一樣，其在固態(tài)鋰電池中也遵循經(jīng)典的疲勞定律。鋰金屬疲勞正是造成固態(tài)電池衰退和枝晶生長的‘元兇’之一?！蓖躜v銳解釋說。
從橋梁到飛機(jī)，再到反復(fù)彎折的易拉罐拉環(huán)，材料在經(jīng)歷大量小幅度循環(huán)載荷后，都會(huì)出現(xiàn)裂紋、斷裂，這是典型的疲勞失效。無論是在金屬材料領(lǐng)域還是日常生活中，“疲勞”都不是陌生詞，但此前從未有人將這一基礎(chǔ)的力學(xué)概念與電池失效聯(lián)系起來?？蒲兄校嬖谒季S慣性，而對(duì)“不尋?！钡拿翡J感知，正是王騰銳揭示鋰金屬疲勞失效機(jī)制的起點(diǎn)。
“要帶著懷疑的態(tài)度去做研究?！蓖躜v銳告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“我尊重前人的貢獻(xiàn)，他們提出的理論在過去推動(dòng)了電池領(lǐng)域的發(fā)展。但這并不意味著我們要完全接受這些理論，認(rèn)為它們是完美無缺的。”
在他看來，真正推動(dòng)科研進(jìn)步的，正是對(duì)“理所當(dāng)然”之處保持懷疑的勇氣——當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)期持續(xù)矛盾時(shí)，他選擇相信客觀的數(shù)據(jù)結(jié)果，拒絕被先入為主的認(rèn)知所左右。
關(guān)關(guān)難過關(guān)關(guān)過
“鋰金屬會(huì)疲勞。”在介紹這項(xiàng)Science研究時(shí)，王騰銳僅用6個(gè)字，道出了其核心機(jī)理。但從初現(xiàn)端倪到最終驗(yàn)證新機(jī)理的存在，他走過了一段漫長而曲折的探索之路。
固態(tài)電池固固界面表征是橫亙?cè)谕躜v銳和團(tuán)隊(duì)面前的第一座大山。
起初，他嘗試用傳統(tǒng)的非原位電鏡進(jìn)行表征。但是，由于固固界面的截面對(duì)空氣極為敏感，電池一旦被拆解觀察，就無法再循環(huán)使用，所以每次實(shí)驗(yàn)只能捕捉到一個(gè)靜態(tài)的狀態(tài)，前后之間不連續(xù)。
為揭示動(dòng)態(tài)演化過程，王騰銳制備了大量樣品，但批次間的微小差異讓數(shù)據(jù)始終無法完美銜接。在最初的兩年時(shí)間里，研究進(jìn)展緩慢得令人心焦。
為突破瓶頸，團(tuán)隊(duì)最終決定另辟蹊徑——根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求自主改造原位電鏡設(shè)備，設(shè)計(jì)了一個(gè)可同步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)充放電觀察和界面成像的專用樣品臺(tái)。
然而，初運(yùn)行時(shí)，設(shè)備系統(tǒng)看似整裝待發(fā)，實(shí)則處處“鬧脾氣”——導(dǎo)線接觸不良、信號(hào)漂移、成像模糊等問題層出不窮，調(diào)試工作一度異常艱難。此外，樣品制備和轉(zhuǎn)移同樣充滿挑戰(zhàn)。
“實(shí)驗(yàn)一天失敗個(gè)七八次是常有的。我們使用固態(tài)電解質(zhì)圓片進(jìn)行研究，每次實(shí)驗(yàn)都要把它掰開觀察，前后大概掰了上百個(gè)圓片?！被貞涍@段經(jīng)歷時(shí)，王騰銳語氣輕松得像是在談?wù)撽灨伞５p描淡寫的背后，是無數(shù)次從清晨堅(jiān)持到深夜的煎熬與徒勞，是被“人”字形裂紋無聲嘲諷的心酸與不甘。
從搭建設(shè)備、調(diào)試完善到密集實(shí)驗(yàn)，在歷經(jīng)180多個(gè)日夜后，那些被掰碎的陶瓷圓片，最終鋪就了通往真相的道路——王騰銳終于在原位電鏡下“看清楚”了鋰金屬負(fù)極在實(shí)際工作狀態(tài)下的演化過程。
然而，還沒等他松一口氣，新的難題接踵而至。
根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論的推斷，孔隙的生成往往與高電流密度、高沉積速度相關(guān)。但令團(tuán)隊(duì)震驚的是，在電流密度極低且容量非常小的實(shí)驗(yàn)條件下，他們清晰地觀察到了鋰金屬缺陷的持續(xù)積聚和沉積區(qū)域內(nèi)孔隙的形成。
面對(duì)這個(gè)與預(yù)期完全相悖的觀測(cè)結(jié)果，王騰銳陷入了漫長的思考困境。他開始頻繁失眠，常常在凌晨兩三點(diǎn)時(shí)思緒翻涌。
這場(chǎng)困頓和思索交織的拉鋸戰(zhàn)，持續(xù)了3個(gè)多月。直到一個(gè)深夜，在又一次輾轉(zhuǎn)反側(cè)中，一個(gè)念頭驟然閃現(xiàn)在王騰銳的腦海中：“如果鋰金屬在電池的充放電過程中承受了循環(huán)往復(fù)的應(yīng)力，它是否也會(huì)像其他金屬一樣發(fā)生疲勞？”這個(gè)靈感如同一道光，刺破了長久的迷霧，讓所有數(shù)據(jù)突然有了合理的解釋。
2023年8月2日，對(duì)王騰銳而言，是一個(gè)難忘的日子。那天深夜，他和團(tuán)隊(duì)首次通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了疲勞機(jī)理的猜想。
當(dāng)他走出同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)的實(shí)驗(yàn)樓時(shí)，校園寂靜無人。抬頭望去，一輪皎潔的明月正高懸夜空，清澈冷冽，卻分外親切。幸福感如潮水般涌上心頭，王騰銳按下快門，拍下這一幕，并在朋友圈寫下：“當(dāng)時(shí)明月在，曾照彩云歸?！边@句出自宋代詞人晏幾道的詩詞，本是對(duì)過去的追憶與悵惘，但在此刻卻被賦予了新的含義。
當(dāng)晚的同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)夜景
“科研的快樂正是在親手揭開未知的瞬間，被點(diǎn)亮的那份確定和自豪。這輪明月見證過無數(shù)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，如今也照見了我們的努力?！蓖躜v銳告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
在他看來，科研大多數(shù)時(shí)候是枯燥的，但那一晚，是少有的浪漫時(shí)刻。他始終相信，那個(gè)決定性的靈感不是憑空降臨的，而是從無數(shù)看似徒勞的日夜中孕育出來的。
“做科研，我始終堅(jiān)信，一切努力都不會(huì)白費(fèi)。失敗的嘗試不是浪費(fèi)，要么加深我對(duì)問題的理解，要么錘煉我的心性，是成長過程中不可或缺的一部分。關(guān)關(guān)難過，但每一關(guān)都過去了。堅(jiān)持下去，答案也許就藏在下一次實(shí)驗(yàn)里?！彼f。
傳承的科研熱愛
王騰銳科研生涯的起點(diǎn)，始于一次看似平常卻意義非凡的談話。
本科最后一年，正值選擇研究生導(dǎo)師的關(guān)鍵階段，王騰銳對(duì)于留校讀研猶豫不決。他鼓起勇氣敲開了同濟(jì)大學(xué)車用新能源研究院創(chuàng)始人之一黃云輝的辦公室。對(duì)于這個(gè)素未謀面的年輕人，黃云輝沒有絲毫遲疑，抽出一個(gè)下午的時(shí)間，與他促膝長談。
“黃老師沒有直接給我一個(gè)‘標(biāo)準(zhǔn)答案’，而是以自己的科研經(jīng)歷為例，幫我梳理學(xué)術(shù)道路的可能性。”這場(chǎng)推心置腹的長談，讓王騰銳第一次意識(shí)到在研究生階段，真正重要的是平臺(tái)資源、導(dǎo)師的培養(yǎng)理念以及團(tuán)隊(duì)氛圍。不久后，他就加入了黃云輝的團(tuán)隊(duì)，并在他推薦下，結(jié)識(shí)了其科研生涯中最重要的導(dǎo)師之一——?jiǎng)倧拿绹R里蘭大學(xué)完成博士后研究，回到同濟(jì)任教的羅巍。
王騰銳（左五）與博士答辯評(píng)委的合照，左一為羅巍，右四為黃云輝
“初見羅老師時(shí)，他沒有一點(diǎn)架子，和黃老師一樣平和又親切。當(dāng)時(shí)，我就有一種強(qiáng)烈的直覺：這是一個(gè)可以信任、可以同行的人?！边@份信任，對(duì)王騰銳來說尤為重要。他坦言，自己并不屬于“高產(chǎn)型”科研選手?！拔页龀晒乃俣群苈?，甚至幾年才有一篇像樣的文章?！钡_巍從未催促他，也一直鼓勵(lì)他相信自己的能力。
有一次，他向?qū)焻R報(bào)了一個(gè)看起來“前后矛盾”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，內(nèi)心已經(jīng)做好了被否定的準(zhǔn)備。但沒想到羅巍只是沉吟片刻，說：“這聽起來不合理，但正因?yàn)椴缓侠恚趴赡苁切碌臇|西。不要輕易放棄，可以再仔細(xì)想想，我們下次繼續(xù)討論?！闭沁@種包容和鼓勵(lì)，給予了王騰銳莫大的信心，讓他敢于堅(jiān)持和探索，最終提出了新的機(jī)理。
在羅巍課題組，王騰銳體驗(yàn)到了真正的學(xué)術(shù)自由：沒有“打卡式”的科研節(jié)奏，取而代之的是由內(nèi)在探索欲驅(qū)動(dòng)的自主研究。即使只是一個(gè)“很小”的想法，只要愿意分享，導(dǎo)師都會(huì)認(rèn)真傾聽，都能在課題組獲得真誠的回應(yīng)——茶水間的即興討論、深夜微信的學(xué)術(shù)交流，都見證著思想碰撞的火花。
這種開放包容的科研文化背后，維系著一條跨越三代學(xué)人的精神血脈。它的源頭可以追溯到諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、被譽(yù)為“國際鋰電池之父”的John B. Goodenough。
“我們團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人黃云輝老師是Goodenough老先生的學(xué)生，羅老師是黃老師在2008年回國后培養(yǎng)的首批博士生。我則是羅老師回國后帶的第一批研究生，是聽著黃老師講老先生的故事‘長大’的一代科研人?！蓖躜v銳告知《中國科學(xué)報(bào)》。
在有關(guān)Goodenough的故事中，令他印象最深的是，老先生在54歲才轉(zhuǎn)向鋰電池研究，97歲斬獲諾貝爾獎(jiǎng)，90多歲仍每天堅(jiān)持在實(shí)驗(yàn)室工作，思維敏銳、激情不減?！八屛艺J(rèn)識(shí)到，諾獎(jiǎng)精神并不只是一種榮耀的象征，更是一種堅(jiān)持探索、敢于質(zhì)疑、甘于寂寞的科研態(tài)度?！?span style="display:none">X3L即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
盡管未曾與老先生當(dāng)面交流，但那篇意外觸發(fā)他思考疲勞機(jī)理的論文，曾有幸得到Goodenough的批改。
“那時(shí)，老先生已經(jīng)97歲高齡，卻仍然堅(jiān)持把論文一頁頁打印出來，逐字逐句地在紙上手改。當(dāng)我們收到他的手稿時(shí)，上面密密麻麻地寫滿了批注，每一筆都工整、認(rèn)真，字跡雖然已有些顫抖，但字里行間的學(xué)術(shù)敬畏感和責(zé)任感，令我動(dòng)容?！彼f，“這一幕，不僅是一位大師對(duì)科學(xué)的尊重，于我而言，也是一種無聲的傳承?！?span style="display:none">X3L即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
Goodenough批改的論文手稿
如今，博士畢業(yè)后的王騰銳加入了美國馬里蘭大學(xué)化學(xué)和生物分子工程系教授王春生課題組，開啟了博士后的新征程。當(dāng)被問及選擇這里的原因時(shí)，他表示：“王老師是電池領(lǐng)域頂尖的科學(xué)家，他的許多開創(chuàng)性工作推動(dòng)了領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)王老師對(duì)學(xué)生非常好，因材施教。有幸加入王老師課題組，有助于我在固態(tài)電池研究方向上進(jìn)一步深耕，并全面拓展學(xué)術(shù)視野與研究能力?！?span style="display:none">X3L即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
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https://doi.org/10.1126/science.adq6807
*文中圖片均由受訪者提供
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