WILEY: 人物访谈——上海交通大学薄首行副教授

WILEY 人物访谈——上海交通大学薄首行副教授

化石能源终将枯竭,而人类生存的能源需求却逐年增长,也终将依赖于可再生能源,电力则是可再生能源与人类能源需求之间的一架桥梁。电池是十分普遍且重要的能源储存与转化设备,然而高能量密度的电池安全性总有一定的风险,相比于易燃的液态电解质,安全性更高的固态电解质则应运而生。本周Wiley人物访谈,我们介绍一位优秀的青年科学家——薄首行,为我们介绍固态电池的优势所在,以及目前发展过程中遇到的一些关键技术问题;同时走入一位科研工作者的内心,去感受科研的魅力与不易!

邮箱:shouhang.bo@sjtu.edu.cn

课题组主页:https://sites.ji.sjtu.edu.cn/abmc-lab/

人物简介

薄首行博士,先后于2009年和2014年在复旦大学和美国纽约州立大学石溪分校获得化学学士和化学博士学位;随后在麻省理工学院,劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究。2017年7月,薄首行博士加入上海交通大学密西根学院独立开展科研与教学工作。目前,其团队围绕全固态电池开展超快离子导体,全固态电池表界面表征以及全固态电池成像等相关研究。薄首行博士2017年入围世界科技大奖能源类决选(全球共6项),2020年获得GF创新特区未来储能技术创新构想挑战赛最高奖(全国共3项),以及上海交通大学“唐立新教学名师奖”(全校共10项)。

(课题组团队合照)

解固态电池

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作呢?

薄首行(以下简称BSH):我们的研究团队关注全固态电池背后的基础物理化学过程与普适规律。我们结合原位实验与多尺度计算模拟,开展如下三个方向的研究:1. 离子在固体中的输运机制以及固态电解质的设计与合成;2. 固态电池中的表界面表征与调控机制;3. 全固态电池的多场成像(如电化学,力,热等)及多场耦合电化学。

MVC:您对全固态电池研究颇多,可以请您谈一谈固态电解质相比于液态电解质,有哪些优势吗?

BSH:电池在生活中无处不在。在不断追求电池的高能量密度的同时,我们也注意到与电池相关的安全事故频发。这也受到了全社会的广泛关注。其实,我们仔细想一想,安全与能量密度本身就是矛盾的。在电池中,安全的最薄弱环节之一就是可燃性的液态电解质。如果采用热稳定性更高的固态电解质取代液态电解质,那么原则上我们就能够以更高的安全性提供更高的能量密度,鱼与熊掌兼得。这就是固态电解质最关键的优势。

MVC:您认为全固态电池的未来前景如何,发展过程中还需要解决哪些关键问题?

BSH:全固态电池的前景是光明的。目前,全球各大车企以及电池企业基本都在布局全固态电池的研发。国内外也有很多固态电池的初创企业,他们的股票或者是估值也一路飙升。科技部在其公布的首批“十四五”重点专项中也有至少四个指南与全固态电池直接相关。但是,全固态电池发展的道路可能是曲折的。这主要是因为还有不少关于全固态电池的关键科学问题需要解决。比如说,有没有离子导电率更高的固态电解质?这样的固态电解质又是否能够在电池的循环过程中始终保证固-固界面的化学稳定和良好接触?能量密度最高的锂金属在全固态电池中到底能不能用?类似的问题还有不少。所以,我们更应该在一片繁荣之下,静下心来解决固态电池背后的基础科学问题。除此之外,全固态电池有没有可行的技术路线,商业路线?这可能是企业同仁需要思考的问题。我相信在全球科研工作者的共同努力下,全固态电池的科学问题和技术瓶颈将会在不久的将来得到解决。

MVC:固态电池及固-固界面的诊断,对于固态电池的优化有怎样的意义?

BSH:医学诊断在人类健康当中扮演者至关重要的作用。同理,固态电池的成像诊断在固态电池性能优化中也扮演着同等重要的角色。所以,固态电池的成像诊断也是我们研究团队一直关注的研究方向。目前我们发展了面向全固态电池的光声成像,应力成像以及原位CT。我们还在发展面向全固态电池的温度成像技术手段。这些手段的联用可以更全面的认知全固态电池中电化学-力-热多场耦合效应。这对固态电池的优化具有重要意义。

目前,我个人感觉固态电池的挑战可能已经不在材料本身了,而是在固-固界面上。所以,如何利用实验与计算的手段深入理解固态电池中不同固-固界面的物理化学特征是突破固态电池技术瓶颈的关键。这也是我们研究团队一直关注的另一个研究方向。对此,我们已经发展了原位XRD深度剖析技术以及界面稳定性的高通量筛选计算方法。我们还在发展新的计算模拟方法研究固-固界面化学反应与固体断裂的耦合过程.

科研历程

MVC:在您的众多优秀成果中,哪些工作是您最喜欢或者最值得骄傲的呢?

BSH:很多工作我都很喜欢,也感觉很骄傲 (*^_^*),因为不管我们的工作最后发到了哪个杂志上面,我们完成的都是非常扎实的科学工作。科学工作要扎实也是我从博士导师Clare Grey那里学到的第一课。我一直坚持这样的理念,也把它传授给我的学生。

如果非要选择一篇我最近最满意的工作,我觉得是我们今年初发表在Advanced Energy Materials上的一篇工作(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202100325),因为我们揭示了一个在离子输运甚至电子输运中普适的规律,可以指导固态电解质离子导电率的优化。这样类似的迁移壁垒,指前因子和离子导电率(或者反应速率)的复杂性,实际上在很多物理、化学和生物的过程当中都存在。所以,我们的研究成果实际上对很多领域的类似工作都能起到借鉴的作用。

MVC:请问在您的科研生涯中,哪些事情或者哪些人对您产生过重要影响呢?

BSH:有太多的人和事都对我的科研生涯产生了非常积极的影响。我也从来不是“一个人在战斗”,因为有很多人都在支持我的工作。我尤其需要感谢我的几位导师,他们非常积极而深刻的影响了我的科研生涯。夏永姚教授将我带入了电池这个领域,是我在这个领域的启蒙老师。Clare Grey教授和Peter Khalifah教授教会了我如何开展扎实的科学工作,如何进行批判性的思维,如何永远保持怀疑的精神而不迷信权威。Gerbrand Ceder教授让我深刻的理解了科研并不只是做自己能做的研究,而是要解决重要的科学问题;要有大局观;要敢于突破舒适区做真正有创新性的工作。

MVC: 您在科研历程中遇到过的最大困难是什么?您是如何克服这些困难的呢?您认为这些困难对您的成长有怎样的影响?

BSH:回首之前的科研经历,我好像在科研过程中没有遇到很大的困难。我感觉自己一直是乐在其中。这里,我还要感谢我的导师们,因为他们并没有给我施加太大的压力,而是给我提供了一个比较宽松的环境,让我自由地探索。这也是我目前在我的团队里努力营造的一个氛围。

我觉得最近几年面临的比较大的困难是:如何进行身份的转换?之前一直是博士生或者博士后,我只需要把自己手头的研究工作做好就可以了。现在有了自己的团队,从招生到管理,再到基金等等都需要自己操心。怎么才能做到面面俱到?另外一个是在国外待了8年,回国后感觉到科研环境和生态是不一样的,我们怎么能够适应环境并且得到好的发展?这些困难很好的促进了我个人能力的全面提升。现在看看,其实也不是困难 (*^_^*)

MVC: 科研工作之余,您有哪些兴趣爱好呢?它们在您走出低谷、挑战困难过程中,发挥了怎样的作用?

BSH:我之前在读博士和做博士后的时候很喜欢踢足球,打游戏,玩桌游之类的。现在发现没有时间了。不过,接送小孩,带带娃,陪她一起玩感觉也挺欢乐的。我觉得不管是低谷也好,困难也罢,心态最重要。最终,科研就是一个工作,一个兴趣,是生活的一部分而已。健康、快乐最重要!

畅所欲言

MVC:如今的无线充电技术越来越常见,对于电池本身而言,需要满足怎样的要求可以更适于无线充电呢?

BSH:这不是我擅长的领域了。但是,据我所知,电池或者电池材料本身可能跟是否适合无线充电关系不大。无线充电也并不是从根本上改变电池的现有充放电模式,最终都用直流电。但无线充电可能会对电池包的设计有影响。这可能也是工程上有价值,需要探究的问题。

MVC:化学电池是非常重要的一项储能技术,您认为在电池的发展历程中,哪些事件是至关重要的?

BSH:前两年,诺贝尔奖刚刚颁发给了三位在锂离子电池发展过程中做出过开创性贡献的科学家和工程师。相信大家对锂离子电池的发展历程已经了解的很清楚了。我这里想分享一个关于伏打电池的小故事。伏打电池的发明标志着化学电源的开端。Galvani在200多年前的时候通过“青蛙实验”提出了“生物电流”的假说。他认为生物肌肉的运动由电流而驱动,而电流是由生物而产生的。后来比Galvani小11岁的Volta,也就是伏打电池的发明者,为了证明Galvani的“生物电流”假说是不正确的,做出了一个完全由无机材料构成的伏打电池。如果没有Volta的不迷信权威,化学电源的诞生可能还要延后很多年。没想到Volta一个看似“无用”的研究演化成了现在“无处不用”的化学电源。