西湖除夜学团队5年深耕  ，冷门改写“冷门”电池的西湖学团学网命运

 

文｜《中国科学报》见习记者 赵婉婷

当导师与师长教师的科研寻乞降决意决意决计高度契合，他们大年夜大年夜约能联手把不成能变成大年夜大年夜约 。除夜西湖除夜学特聘研究员王建辉和博士后刘磊 ，队年电池的命恰是深耕事科多么一个组合。

比来几年来，改写锂电池局限的运旧功用打破层见叠出，而他们聚焦的冷门 ，则是西湖学团学网畴昔被认为寿命短、不契合商用的除夜无负极电池。

王建辉团队研发了一种新型穿越耦合电解液
，队年电池的命可阻拦无负极电池的深耕事科寿命瓶颈，将无负极电池的改写能量密度进步到经常独霸贸易电池的两倍，同时贯穿连接低成本优势 ，运旧为研发兼顾高能量密度和低成本的冷门可充放电池斥地出一条可量产的全新技能路途。相干研究下场不日宣布于Nature 。

研究展开时代 ，从考验考验标的方针
、质猜测分化编制，他们的每个选择都是迎着“贫穷”进步。在王建辉看来，在别人认为艰苦的局限寻觅阻拦挑衅的编制 ，就是科研进步的时辰 。

王建辉（左）和刘磊

不成是一个功用

电池是机械人、高端无人机、可穿戴智能终端硬件虚构理论（AR/VR）等新兴设备的“心脏”。志向中的电池需求兼顾分量轻、体积小
、功率高、安然 、成本低、寿命久等特点 。

但理论中 ，这些中心方针之间经常存在着难以打破的“***博弈”
。以寻求高能量密度的锂金属电池为例，锂离子经由过程电解液“游”到负极后，会在负极外不雅不平均地聚积，像长树枝一样堆出混乱无章的“枝晶” 。这是限制其轮回寿命的关头 。

2020年
 ，刘磊初进王建辉课题组读博，他在遴选电解液材料时有时创作创造 ，在一类含酰胺基团的溶剂中
 ，锂金属的聚积熔化屈就较着高于比照组 。屈就一样往常研究流程 ，他在考验考验经常独霸的扣式电池上证实，电池工作寿命可除夜除夜担搁。

这个新创作创造足以宣布不错的文章，但导师王建辉建议他在更严苛的前提下考验考验，对比理论中经常独霸的软包电池 。

“电池局限斗劲‘卷’，几近天天都可以看到相干旧事 ，报导一些打破性功用。”王建辉坦言，下场若仅勾留在扣式电池测试阶段，则会与独霸处景脱节。他希看团队可以补偿学术界和财富界间的鸿沟。

可是，软包锂金属电池成本很高 ，在独霸中还存在安然隐患。衡量一番后，王建辉建议刘磊试一试无负极软包锂金属电池 。

这类电池在建造过程中不独霸化学性质活泼的锂金属 ，在负极侧仅保管铜箔作为集流体，筹划更精简 ，成本更低，且能量密度更高 。但枝晶对电池寿命的限制愈加严重，局限内普及认为其不具有真实的独霸前景。

在小于300Wh/kg的低能量密度下 ，这类电池轮回寿命窘蹙200次 ，远低于商用锂电池上千次的轮回次数，在能量密度和寿命均不具有竞争优势；而在商用电池难以企及的高能量密度下（>400Wh/kg），其电池寿命更是窘蹙80次，也远未抵达无人电机池300次轮回的合用门槛 。是以 ，畴祖先们除夜多独霸无负极模型电池举办机理研究，极少思虑理论独霸。

不过，刘磊领受了这个挑衅 。2022年年尾，课题组搬往西湖除夜学新校区时
，刘磊还零丁“留守”旧考验考验室深耕了小半年。掉落踪掉落踪新下场后 ，他经常与导师在线上构和到深夜
。“有良多考验考验气候是新的，又要做一些科研上的剖断 ，我们一聊起来时分不知不觉就畴昔了
。”

这时代 ，刘磊不竭优化测试参数 ，顺利在无负极电池中完成了508Wh/kg 、80%放电深度前提下的350次轮回  。这打破了贸易锂电池经久面对的能量密度与轮回寿命的限制，是推向其合用化的次要创作创造 。

此时
，凭这一电解液在软包电池中的出色默示，足以在局限内顶刊宣布论文。但王建辉了然，一种功用很快就会变成畴昔式。“只需深切熟谙到出色功用面前的本质，才调在电池局限产生发火经久的影响力
。”

王建辉决意 ，让刘磊本身选择可否要深挖下往
。

漫长但值得

对刘磊而言，他一步步见证了不成能变成大年夜大年夜约的过程，所以历来没想过抛却 。

为了答复面前的事理，刘磊选择延毕半年。压力不成否定 。但对刘磊来讲 ，这份对立真实不疾苦。

谈及对电池机理的根究过程，刘磊将其比作除夜夫诊断病因，创作创造问题和寻觅措置筹划的过程布满了喜悦爱好 。他与《中国科学报》分享，本身小时辰在家快活喜悦爱好拆机械电表，研究里面的线圈与齿轮构造，再把电表从头组装 。

这和“解剖”电池有点近似。在惰性氛围手套箱中，他需求完成拆解电池、清洗电解液、表征正负极等一系列繁琐独霸 。同时，因为所研发的软包无负极电池寿命除夜幅担搁，为了掉落踪掉落踪全周期“解剖”样本 ，每组考验考验周期都长达三至六个月 。

他的分化揭穿了一个稀少的气候
：这类电解液在铜外不雅构成了一层约8nm的超薄界面膜，既准予锂离子平均进出 ，又能适应锂的膨胀膨胀改削而不*** ，全数锂晶粒同步产生发火聚积熔化 。

这层具有亚纳米级平均性的膜会在金属展开时髦起来，在金属熔化时膨胀成蜂窝状，构成一种静态的晃荡筹划 ，这就阻拦了锂金属电极筹划不晃荡的根柢偏向。在稀少的立体锂聚积熔化中，枝晶也不复存在 。

投稿至Nature后
，审稿人提出的最除夜挑衅是声明锂金属界面膜的分子构成机理。“我的请求很高 ，审稿人比我还要苛刻。”王建辉笑着说道 。为此，团队筹划了通明软包电池、原位电子顺磁共振和液体核磁等考验考验  。下场展示 ，电解液产生发火的逍遥基会在正负电极间穿越时建筑全新界面膜 ，并阻拦产气。

幻想下场 ，团队报导了500Wh/kg前提下的350次轮回寿命 ，并琐细阐释了这一高功用的机理。“而功用面前的全新机制 ，让我们看到完成更长电池寿命的宏除夜潜力 。”王建辉说 。

理论上，高达500Wh/kg的能量密度对新兴智能经济展开特别很是关头 
，能知足AR/VR 、机械人、高端无人机、载人电动飞机（eVTOL）等对电池高比能的刚需。团队估计 ，这一电解液完成量产后 ，无负极锂电池的成本甚至可比常例锂离子电池低10%至20% 。

文章宣布以来，王建辉收到良多就教考验考验细节的邮件，不乏研究者询问：“你们的表征是若何做的？我们也想做。”理论上，电解液机理研究除夜多经由过程筹算编制来模仿，但团队选择了更耗时分、人力
、物力  、财力的物理表征举办考验考验论证  。这也是引来浩瀚同业存眷的次要启事 。

论文截图

“是挑衅也是机会”

在王建辉课题组，师长教师每周要向他供给一份“周报” 。师长教师可以写下本周工作、下周筹算及现阶段碰着的问题。基于周报的一对一交换也愈加高效。

刘磊的周报老是让王建辉感应“赏心雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅”——层次了然 、考验考验正视、记实无缺。不雅不雅不雅不雅鉴赏多么一份正视的周报 ，王建辉似乎可以将本身带进考验考验台前，也能更好地剖断一个气候可否值得进一步深挖 。这项新下场的起点 ，恰是刘磊此刻那份记实详实的周报。

刘磊也会经常打发师弟师妹，要把在考验考验里不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅不雅查询拜访到的气候充分地跟王教员表达，多么教员就可以从师长教师的论说中创作创造良多关头的问题，并供给了然的带领 。

在刘磊眼中
，导师王建辉对措置科学问题特别很是专注，不会随便抛却任何一个既定课题。“假定导师本身都不想对立的话，我感应感染也会影响到师长教师的心态，师长教师更没有毅力对立下往 。”

对这类专注，王建辉多么诠释 ：“假定热力学上可行 ，那不竭寻觅制约它的动力学要素，找到契合的编制和机会，必定能完成。”

王建辉最始创建课题组时，曾细细打磨了一句标语
：“科学试探 ，坚信与质疑共存，有时与必定同在，是挑衅也是机会！孜孜以求，创作创作创造新的大年夜大年夜约  。”在王建辉看来，科研中的良多必定下场经常出世于有时创作创造傍边 。每小我对不合气候的不雅不雅不雅不雅不雅不雅定见不合
，有人信赖能做成 ，有人会质疑可行性
，“就看小我的咀嚼和执着了”
 。

王建辉在读博时，也曾为一个有时的创作创造投进五年时分深挖机理。在师长教师进组前
，他会与师长教师分享他此前的科研经验 ，审核师长教师可否宁愿赞成沉住气，做更有挑衅的工作。

令王建辉欣喜的是 ，刘磊有这股执着的干劲。师生二人均认同安身长远的科研编制。这一方面得益于西湖除夜学绝对包涵的审核机制，此外一方面
，二人对研究意义的剖断决意决意决计，足以滤损掉落踪落全数杂音
。

如今，这一耗时五年半的下场画上了阶段性句号 。刘磊也已顺利卒业，并延续在王建辉课题组展开博士后研究。他们将一同鞭挞这款高比能、低成本
、易量产的无负极锂电池完成下场落地 。

团队研制的无负极软包电池样品

*文中图片均为受访者供给

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