【InfoGuru 信息“大师”】清华大学张强教授专访:不忘初心–“需求”带来的变革与创新

张强,清华大学长聘教授、博士生导师。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、教育部青年科学奖、北京青年五四奖章、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、清华大学刘冰奖。2017-2019年连续三年被评为“全球高被引科学家”。2000年进入清华大学完成了本科及研究生的学习,2009年获博士学位后先后赴美国凯斯西储大学、德国马普协会Fritz Haber研究所开展研究工作。2011年加入清华大学从事教学科研工作至今。其热爱科学和教育事业,善于根据学生的自身特点和成长路径,因材施教,引导其找到自身兴趣,百花齐放,共同成长。指导学生中8人获得清华大学特等奖学金,2人获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖等奖励。

长期从事能源化学与能源材料的研究。近年来,致力于将国家重大需求与基础研究相结合、相促进,面向能源存储和利用的重大需求,重点研究锂硫电池的原理和关键能源材料。提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂配合物概念,并根据高能电池需求,研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料,构筑了锂硫软包电池器件。这在储能相关领域得到应用,取得了显著的成效。在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem.等发表SCI收录论文200余篇,被他引30000余次。授权发明专利40余项。担任国际期刊J. Energy Chem., Energy Storage Mater.副主编,Matter, Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A, ChemSusChem, Sci. China Mater., InfoMat,化工学报等期刊编委。曾获得教育部自然科学一等奖等学术奖励。

InfoMat:请您简要介绍下课题组的工作。

我在清华大学的能源材料课题组,主要是在国家对能源存储和器件的巨大需求前提下,对新能源材料,以及材料表界面上的能源化学现象研究为主。具体来讲,是针对锂硫电池、锂金属和其中的电催化领域开展相关研究工作。比如,如何能够更好的利用好硫和锂这样的活性材料,怎么样把系统做得更加安全以及如何能使化学储能系统的效率更高。

InfoMat:当您还在上学的时候,未来想从事什么职业?是什么机缘促使您开始锂电池领域的研究呢?

我在读书的时候,未来想从事的职业就是当一名老师。我觉得把自己获得的知识分享给年轻的学生是一件非常幸福的事情。

进入锂电池领域研究的机缘,还是赶上了国家对能源材料和锂电池的迫切需求。我在读博期间所研究的碳纳米管材料,恰好在离子的能源存储的过程中发挥了导电基的作用。我们同时也在思考,除了作为导电剂,这种材料还有什么其他的应用空间,所以就走入了锂电池这样一个大的领域。而选择做锂硫电池,则是由于2011年时,在诸多锂电池体系中,关于锂硫电池的研究还不是很多,碳材料在这个体系中将会有很大的发展机会,所以我逐渐进入到这个领域。

InfoMat:对于您团队发表的工作,哪一部分最让您骄傲?

在发表的诸多工作中,让我们觉得最有特点的还是对电池中锂键化学的理解。通过理解电池中的基本相互作用,尤其是多硫化物和富含电子的导电基粒之间形成的分子间作用力,并且尝试把这种分子间相互作用力进一步推广到离子溶剂、离子和负极的相互作用中去。这一部分关于锂键化学的知识以及这个知识延伸出来的部分,比如离子溶剂复合结构、离子溶剂复合结构进一步在电化学的表界面的化学行为,我们觉得对整个领域体系的认识有很大帮助。

发展与机遇

InfoMat:您认为原位分析测试技术对锂电池的基础研究有什么重要意义?除了目前广泛使用的原位检测手段以外,还有哪些表征手段可被用于原位研究?

在近期的研究中,我们除了用离线的方式记录静态的、固定的材料之外,也在尝试对原位的动态理解。原位动态的理解实际上对于我们做基于转换化学的锂电池体系具有非常重大的意义。

转换化学是指正负极随着充放电过程,其中的材料和结构组成都会发生显著的变化。而原位核磁或者是原位显微镜能够帮助我们记录这样的变化,使我们能在空间维度的基础上增加时间这一维度,更好地理解材料发挥作用的机制和功能。我们对研究状态的描述,从原来的静态的理解,慢慢过渡到动态的、定量的描述。

除了广泛使用的检测手段,结合同步辐射、电子显微镜、电化学谱学和一些宏观检测手段,如拉曼光谱、红外等,都是可以进一步开发的原位手段。这也是表征手段慢慢从in situ 过渡到Operando的一个过程,能够用实时动态的原位过程来研究真实的过程。这也是得益于21世纪关于电子、信息诸多领域的一个进展,使得原位的发展有了十足的进步。

InfoMat:站在科研人员的角度,您认为锂电池在商业化道路上面临的主要困境是什么?科研人员应当集中精力解决哪些实际问题呢?

目前所面临的主要困境是我们新兴的需求和目前的技术如何做到一个高效地匹配,以及这些新兴的需求是否正在增长并进一步扩大。从锂离子电池发展的来看,3C的电子设备正是由于采用锂电池,才能做得如此轻小便捷,而它的发展推动了锂电池技术的进步。

从工程应用开发的角度来看,科研人员应该去解决的实际问题需要立足于应用场合,根据实际需求分析需要哪种电池器件,进一步匹配合适的正极、负极材料,以实现材料在宏观器件中的高效应用。

InfoMat:您认为在当前的环境下,国内能源领域学者有哪些机遇。

从电动汽车的保有量来看,已经从最开始的几十辆上百辆增长到现在的上百万辆。从需求来讲,能够做安全的电池是第一位的。第二,在安全的前提下进一步提升器件的能量密度、循环性和快充性能。第三,针对一些特种场合和新体系,去探索一些美丽的新世界和新规律也是急需的。这三个方向我认为是十四五期间非常重要的,值得去探索的方向。

需求出发

InfoMat:您在锂电池领域发表了多篇高被引和热点文章,能否从选题、实验以及文章撰写等方面,与我们的读者分享您发表优秀文章的经验呢?

我认为最关键的是选择重要的问题来做,选择大家公认的难题来做。重要的问题是指从需求出发、从科学规律出发,有哪些问题急待通过基础的物理、化学和材料的手段来解决,突破对这些问题的认识,是否能够进一步推动我们关于锂电池的认识?所以我认为,第一在选题上要针对实际的、关键的问题,以及围绕如何进一步探索解决问题的方案。

第二,是在实际解决问题的时候,需要引入新理论、新方法。新理论、新概念的提出以及新方法的引入,能够保持工作的创新性,也是同行非常关注的一点。而不是别人做到六分,我们尝试去做七分、去做八分的这样的一个工作类型。

第三,一篇优秀的工作不仅仅是选择一个好的题目,开展重要的工作,还需要把所会的知识有效地传播给听众,传播给我们的同行。要从读者的角度出发,简明扼要地说明自己的观点,并且用一些具有代表性的图片文字展示自己的工作。因此在写作的时候,要学会凝练重点,阐述清晰。

InfoMat近期出现了众多材料、能源、化学类的新期刊,请问您的团队在选择新刊发表文章时有哪些考量呢?

我们的团队是在清华大学工作,所在的学科是化学化工方向,同时也和材料高度交叉,所以我们从工作内容的出发,思考这个工作的吸引点是什么。比如我们提到的锂电化学,侧重于探索中间过渡产物和基子的相互作用力,这是描述的一类化学现象,适合Angew. Chem.、JACS、Chem这类期刊;如果创新点是发现了一类新材料,同时能够把这类材料的结构和结构带来的功能说清楚,能够展示新材料的构效关系,可能更适合发表在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Matter等期刊上;如果工作集中在如何通过器件界面的高效匹配使电池的循环性、倍率性能有提升,从性能展示的角度,对能源存储与转化的过程有了深刻的理解,关注的是宏观的效率,可以考虑一些能源期刊,比如EES、Nature Energy、ACS Energy Lett.、Energy Storage Mater.和J. Energy Chem.。所以选择期刊的考量还是基于这个工作适合发表在什么类型的期刊上。整体来讲化学类的期刊非常关心电子转移、成键断键,材料类的期刊是关心原子的排列、原子的表界面结构,能源类期刊关注的是从能源的角度,如何实现能源高效自主转化的过程。

对于新的期刊,我们支持很多具有声望的出版社,具有高水平的编辑团队,可以提供新的平台,拥有很大的发展潜力,比如像InfoMat这类的期刊。

InfoMat:您与合著者在InfoMat上发表了题为“A review of rechargeable batteries for portable electronic devices”的综述文章,请问您选择这个主题的初衷是什么?您认为这篇综述可以给相关领域的研究人员予以什么启发呢?

当时非常荣幸接到InfoMat的邀请,而选择这个主题,首先思考的是如何与期刊进行契合,选择一个能够将能源和信息进行深入结合的点。我们注意到现在的信息技术主要依靠这一大类便携式的电子设备作为依托,比如说我们的手机、耳机、手环,这些对于电池的基础需求是什么?从这个角度出发,我们在这篇文章里把各种应用对电池的需求做了充分的调研,同时对能够满足这些需求的潜在体系给予了评述,以便更好地帮助从事信息传播、信息输送和信息分享的器件研发人员,能够很快地在短时间内找到需要的电池体系。所以我觉得这篇综述给人最大的启发是能够帮助相关研究人员迅速的了解这个领域。

InfoMat:作为InfoMat的编委成员,能否请您简单谈谈对期刊的期许?

作为InfoMat的编委会成员,我认为InfoMat作为一本新期刊,尤其是信息领域内第一本材料期刊,承担的历史使命还是非常大的。信息技术是21世纪发展最为迅速、产业发展最为迫切的领域之一,其中需要的关键材料都是我们期刊关心的范畴,所以我特别希望InfoMat能够收录一些目前的新技术,比如AI、物联网、人工智能,以及与这些技术结合所需要的物质基础和材料基础的文章。信息是基于物质,和能量融于一体的一个过程,我们希望InfoMat上能够刊载这个领域内有原创思想,能够带动学科发展的重要成果,这是我们的期待。

不忘初心,培养新新人才

InfoMat:您的团队培养了许多优秀的学生,请问对于新进的研究生,您最注重培养他们的哪些品质,如何激发他们的科研创新和热情?

对于研究生品质的培养,可以用清华大学的110周年校庆主题来概括,即“自强成就卓越,创新塑造未来”。当面临困难,面临挑战,需要具有锲而不舍、自强不息的精神;爱国奉献,追求卓越,在有国家导向时,认清目标,克服困境。

对于激发他们的科技创新和热情,我觉得是使命驱动,需要让他们认识到自己工作的重要性和未来的潜力。所以要多思考我们所开展工作的目的、目标是什么,工作的进步点能够带来什么?围绕这方面多做考虑,多做讨论,能够让学生明晰哪些知识需要加强积累,创新的点在哪里,巨人的肩膀在哪里,我们如何踩得上,能够借得住力,从而激发他们的科研热情。

InfoMat:对于初入锂电池研究领域的青年研究者,您有什么建议?

整体来讲,锂电池领域是一个应用导向性的学科,它是为了使我们人类的生活更加美好而出现的一个新生事物。我的建议是一定要不忘初心,一定要能够针对电池本身的性能,针对电池本身发挥作用所需要的知识来开展研究。要从国家的需求出发,从知识的原创性出发,来开展前沿的、引领性的研究,这样才能更好地开展有特色的、有标签的工作。

InfoMat:正值开学季,能否请您送一句话给刚踏入校门的新生?

希望同学们能在大学中找到自己的兴趣和方向,能够进一步锻炼自己的能力,为将来走向社会,在全方面打好基础。