WILEY人物访谈视频(含文字稿)——中国科学技术大学马骋教授

本周末Wiley人物访谈我们对话的是爱玩音乐、爱ACG文化、更爱科研的中国科学技术大学马骋教授。马老师是科班出身的透射电镜专家,但他并不仅仅致力于发展电镜方法和探索材料微观机理,而是同时在材料设计与合成上也做出了出色的工作。访谈中马老师谈到他作为电镜专家,最大的乐趣是看到电镜揭示的微观机理能直接、高效的启发材料设计。他认为在一些特定的情况下,基础研究和实际应用的距离其实并没有那么遥远。马老师希望能将电子显微学和材料设计这两个截然不同的领域融汇贯通,在探索科学原理的同时,设计出具有实用价值的高性能材料。

个人简介

马骋,中国科学技术大学教授、博士生导师,国家海外高层次人才引进青年项目入选者。马骋教授于2006年在清华大学(北京)获得学士学位,2012年在美国爱荷华州立大学获得博士学位,2012-2013年和2013-2016年分别在爱荷华州立大学和美国橡树岭国家实验室进行博士后研究,2016年入选国家海外高层次人才引进青年项目,并加入中国科学技术大学,任教授、博士生导师。

马骋教授致力于将多种前沿的电子显微学技术和无机材料合成相结合,一方面通过对材料在原子尺度行为的直接观察揭示其结构-性能关联,另一方面以此为理论指导,进行有针对性的性能提升。目前的研究主要聚焦于全固态锂电池。相关成果以第一或通讯作者发表在Nature Materials, Nature Communications, Matter, Angewandte Chemie International Edition等高影响力期刊上,并多次入选相应期刊的封面或内封面。

【视频】

MVC:能否请您简单介绍一下课题组目前的主要研究工作呢?

我们课题组的工作主要是两个关键字:全固态电池,球差校正透射电镜。因为我本人是学透射电镜科班出身的,所以我们课题组有很大一部分工作在于用球差校正透射电镜研究材料在原子尺度的行为,甚至研究一些更前沿的透射电镜分析方法。但是,我们并不局限于此。在做透射电镜研究的同时,我们还在材料设计、合成以及电池性能优化上做了相当大的努力。我们希望能够通过这种方式的研究,让电镜在原子尺度揭示的机理更有效、更直接的指导材料设计和电池性能的优化。

MVC:如果给您足够的资源去解决一个科学问题,您最想去解决什么问题?

说到这个问题,我想请大家先看看这张image。这是MOF材料的原子像,但是在2016年之前这种材料是无法用电镜在原子尺度观测的,因为它不耐电子束辐照。但是2016年之后FEI推出的iDPC技术可以很高效的利用电子束成像,从而可以对MOF进行观测。

我所研究的固态电解质材料,特别是高性能的氯化物、硫化物固态电解质,也有类似的问题,并且更加严重。即使利用iDPC技术,想要对这些材料进行原子尺度成像,也是很有难度的;目前硫化物和氯化物固态电解质,据我所知还并未有原子尺度的电镜研究报道。我想做的,就是从方法学上做出一些努力,实现对氯化物、硫化物固态电解质的原子尺度观测,揭示这些材料高性能背后的秘密。

MVC: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?

首先是安全性,它直接让易燃易漏的液态电解质从电池里消失了,这可以说从根本上缓解了让业界大为头疼的安全问题。

其次,就是固态电解质作为近几年才获得大范围关注的材料,它的发展是存在很多让人脑洞大开的可能性的。比方说,按照目前的理论预测,固态电解质是有可能允许电池电压接近7 V的,远远超过现在大概4-4.5 V的液态电池电压范围。或者,我们也可以想想,固态电解质作为一种固体,是不是可以好好利用一下3D打印技术,来实现比液态电池更高效的生产,甚至更新奇的电池结构,从而达到更高的能量密度呢?我认为没有什么能比这些丰富的可探索的空间更让一个科学家热血沸腾的了。

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?

前景一片光明,但是目前要解决的问题也很多。比如,怎么样才能把固态电解质做的更薄,让它接近液态电池中隔膜的厚度,从而使固态电池在能量密度上有竞争力;又比如说,我们怎样才能阻止锂枝晶在固态电解质中的生长,从而让固态电池能用上锂金属这样高能量密度的负极。所有这些问题,其实只围绕着一件事,就是使固态电池在性能和成本上都能接近,甚至全面超越传统的液态电池。

MVC:如果能够在原子尺度原位监测电池充放电过程的化学变化,将对全固态电池的研究有怎样的影响?实现这一技术需要解决哪些问题?

会带来很深刻的影响。打个没那么恰当的比方,这几乎就相当于给一群在迷宫里摸索的人直接画了一张地图。

为了实现这一点,技术上要解决的问题有很多,但我认为最核心的问题是如何让原位电镜中组装的微电池更好的代表实际的电池行为。比如,电镜观测通常需要在200-300 kV的高能电子束持续穿透样品的情况下进行,因此很多时候研究者其实并不容易判断观察到的现象到底真是因为电池充放电引起的,还是因为受到了高能电子束的干扰。这些难题的解决需要花费很多的时间和精力,但是一旦成功,一定会为固态电池的发展带来巨大的推动力。

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?

是我2019年发表在Matter上的一篇文章。那篇文章中我们不仅通过电镜的原子级观察提出了一种新的材料设计法则,而且还利用这个法则真的实现了高性能的材料和电池。在同一篇文章中,用电镜的原子尺度观测所揭示的材料设计法则直接实现了对宏观性能提升的有效指导,我个人认为这是一件很有美感的事情。

MVC:您最近发现的新材料Li2ZrCl6在工业界引起了很大反响,这是否意味着您的研究正从电镜转移到材料设计上呢?

并没有。我觉得我之所以能做出这个工作,和我长期用电镜在原子尺度进行的机理探索是分不开的。电镜的基础研究不见得那么容易引起工业界的关注,但是它揭示的原子尺度机理以及指导法则,才是推动材料设计和性能优化真正的驱动力。我个人认为,电镜的原子尺度观测在科学上的意义,实际上是远远大于单纯发现了一种性能很好的材料的。所以,我们课题组不仅不会把把工作重心从电镜上移开,反而会在这方面做出更大的努力。我认为这也算是一种“不忘初心”吧。

MVC:您在科研之余还有哪些兴趣爱好?

科研之余的爱好,那可就多了,哈哈。比如说打游戏,看动漫,看科幻小说,收集玩具手办,看悬疑片然后猜悬疑片的结尾,等等。另外,因为我大学的时候在清华交响乐团拉了四年中提琴,所以现在也还会时不时玩玩各种乐器。前阵子我指挥了我们学院的老师大合唱,顺便指挥了安徽省交响乐团,(全校大合唱比赛时)拿下了我们科大所有院系中总分第二的成绩。