
访谈内容:
1.Battery Energy:请您介绍下课题组目前的工作和研究方向
我是2022年于博士毕业于曲良体教授团队,随后加入四川大学材料科学与工程学院,并与林紫锋教授开展紧密合作。目前,我主要致力于新型电池体系的探索与特种电源技术的开发,重点研究方向包括铜离子介导的硫基电池、面向智慧医疗的平面微型电池、以及面向大规模储能的高安全高能量密度水系电池等。
我们尝试从电极反应机制、界面调控和器件集成等多个维度出发,探索高能量密度、高安全性和宽温域适应性兼备的电化学储能体系。在微型储能器件方面,我们也在尝试发展可集成、柔性化、生物兼容性好的平面微型电池,以满足未来微电子系统和可穿戴设备对电源的严苛需求。
2.Battery Energy:您觉得能源材料领域未来5年最值得关注的技术方向是什么?
坦率地说,我也时常感到迷茫。但若从我个人的观察与理解出发,我认为以下几个方向值得重点关注:
(1)固态电池
固态电池被认为是下一代高能量密度电池的重要候选体系。其核心优势在于使用无机或聚合物固态电解质替代传统液态电解液,有望从根本上解决锂枝晶生长引发的安全问题。与此同时,固态电解质通常具有更宽的电化学窗口,能够兼容高电压正极材料和金属锂负极,进而实现更高的能量密度。目前,如何提升固态电解质的离子电导率、优化固-固界面接触与稳定性,仍是产业化进程中的关键瓶颈。
(2)硫基电池
硫基电池,因其极高的理论比容量(1675 mAh/g)和硫的低成本、环境友好等优势,近年来备受关注。更重要的是,硫基电池可实现多电子转移反应,为构建超高能量密度储能系统提供了可能。此外,硫基体系在低温性能方面也展现出一定潜力,适合用于极端环境下的电源系统开发。当然,碱金属-硫电池研究最为广泛,如何抑制多硫化物的穿梭效应、提升反应可逆性,仍是硫基电池走向实用化必须跨越的障碍。我们团队正在探索的铜离子介导硫电池则从源头上规避了多硫化物的溶解问题,为高稳定性硫基电池的设计提供了一条值得关注的新路径。
(3)兼具高安全和高能量密度的水系电池
水系电池具有悠久的使用历史,近年来因其本质安全、离子电导率高、成本低廉等优势,再次成为学术界和产业界关注的热点,在大规模储能和柔性可穿戴设备等领域展现出广阔前景。未来若能进一步突破其循环稳定性和体积能量密度的限制,水系电池有望在高安全储能场景中发挥关键作用。
(4)电池回收与再利用技术
随着新能源汽车和消费电子产品的快速普及,退役电池的回收与资源化利用已成为不可回避的课题。高效、绿色、低成本的回收技术,不仅能缓解关键金属资源(如锂、钴、镍)的供需压力,也有助于构建闭环的电池产业生态。未来,如何实现电极材料的直接再生、减少回收过程中的二次污染,将是该领域的重要研究方向。
3.Battery Energy:您主要在铜离子介导硫基电池、特种电池(耐低温电池、平面微型电池等)领域开展研究,请简单介绍一下其中最具突破性的研究成果,以及在这项研究中的乐趣或遇到的一些问题?
我们关于铜离子介导硫电池的研究,离不开纪秀磊老师和吴先勇老师团队在该领域的开创性工作,他们提出的“四电子硫电极”机制(Angew, 2019)为我们提供了重要的理论支撑。
在该体系基础上,我们尝试将其拓展为多功能储能器件。在一次电化学测试中,我们发现电池放电容量有时会超出理论值,起初以为是器件一致性不佳或测试误差所致。但经过反复验证和分析,我们意识到问题出在放电截止电压的设置上——在较低电压下,电解液中的铜离子会进一步还原为金属铜,额外贡献了容量。
这一现象引发了我的兴趣:是否意味着我们实际上在一个电池中同时实现了两种电化学反应?进一步研究表明,这确实是一种集成了Zn-S电池与Zn-Cu电池反应路径的混合体系。基于此,我们提出了一种全新的电池概念——“Cascade Battery”(级联电池),通过耦合两个顺序发生的电化学反应,实现了更高的能量输出与反应深度。相关工作以“A Cascade Battery: Coupling Two Sequential Electrochemical Reactions in a Single Battery”为题发表在Advanced Materials上。
这一研究过程让我深刻体会到,科研中的“异常”往往不是错误,而是新发现的起点。同时,如何从现象中提炼出普适性机制,并用清晰的理论框架去解释它,是我们持续探索的乐趣所在。
4.Battery Energy:您能分享下近期发表于《Joule》标题为“High-voltage sulfur electrochemistry enabled bycopper-ion mediation in non-aqueous batteries”的研究吗?
这项研究源于我们对传统锂硫电池核心瓶颈的长期思考。锂硫电池虽然具有超高的理论比容量(1675 mAh/g),但其实际应用长期受困于三大关键问题:多硫化物的溶解穿梭效应导致活性物质流失和循环寿命衰减;放电终产物Li2S的绝缘性限制了反应动力学;以及硫的氧化还原电位较低,导致电池工作电压仅约2.1 V,远低于商用锂离子电池。
针对这些问题,我们从电荷载流子的角度出发,重新设计了硫正极的反应机制。研究发现,在有机电解液中以铜离子替代传统碱金属离子(Li⁺/Na⁺/K⁺)作为载流子,可以诱导形成难溶且导电的铜硫化物中间产物(CuₓS)。这一设计在三个层面实现了突破:
第一,CuₓS中间产物的本征不溶性从根本上抑制了多硫化物的溶解穿梭,消除了活性物质流失的根源;第二,导电的CuₓS相确保了电极反应的高效动力学;第三,更重要的是,这一机制将硫的氧化还原电位从传统的-0.5 V(vs. SHE)提升至0.5 V(vs. SHE),提高了超过1.2 V。
这项工作首次在非水体系中验证了铜离子介导的硫电化学机制,为突破硫基电池的电压瓶颈和穿梭效应提供了全新的解决路径。需要特别说明的是,该论文的第一作者是硕士研究生丁钰同学,她展现了出色的科研潜力。
5.Battery Energy:您担任《Battery Energy》青年编委,并参与了期刊的学术工作。您对期刊未来的发展有何期许或建议?
作为《Battery Energy》的青年编委,我深感荣幸,也体会到一份责任。当前,能源材料领域正处于快速发展期,新概念、新体系、新机制层出不穷。对于期刊的未来发展,我有以下几点粗浅的思考和建议:
第一,重视青年学者的力量。青年学者是科研创新的生力军,他们思维活跃,敢于挑战传统。期刊可以设立"青年学者论坛"、"新锐观点"等栏目,为青年学者提供发声平台。同时,在审稿过程中,可以探索"青年编委预审+资深编委终审"的模式,既保证稿件质量,又培养新生力量。
第二,推动学术公平与开放科学。在审稿过程中,坚持学术质量优先,不唯帽子、不唯单位。同时,建议双盲。
第三,加强学术社区建设。期刊不仅是论文发表的平台,更应是学术交流的平台。可以组织线上学术沙龙、青年学者论坛、编委面对面等活动,增强作者、读者、审稿人和编委之间的互动,形成有温度的学术共同体。
6.Battery Energy:很多硕士/博士研究生在科研之路上都曾会感到迷茫,您对青年学者撰写学术论文和投稿有何建议?
说实话,这个问题让我很有共鸣,直到现在,迷茫也时常伴随着我。科研这条路,本来就充满了不确定性,迷茫几乎是每个人的必修课。所以我谈不上什么“建议”,只是想结合自己的一点体会,分享一下我的粗浅想法,如果能有一点点启发,就很开心了。
第一,做有品位的科研,不盲目跟风。科研的热点虽层出不穷,但真正能沉淀下来的,往往是对科学问题的长期思考和积累。不妨看得长远一些,不追求“短、平、快”的成果,而是沉下心来,在自己的方向上深耕。厚积才能薄发,至于什么是有“品位”的科研,我也还在摸索中。说实话,这一点我自己也做得不够好,还在努力中,希望未来能和大家一起进步。
第二,学会讲好自己工作的故事。撰写论文之前,首先要对自己从事的领域有足够深入的了解,然后试着提炼出自己工作的特点或不同之处。同样一组数据,从不同的角度去讲述,效果可能很不一样。我经常给学生举一个例子:高熵材料的概念兴起之前,很多人做的是“多元素掺杂”,但一旦将工作上升到“高熵”这个层面,整个工作的格局和视角就完全不同了。如何找到那个最能体现你工作价值的“角度”,确实需要花心思去琢磨。
第三,重视“反常”,它可能是新发现的起点。我们在铜离子介导硫电池的研究中,正是因为发现了“超出理论容量的放电现象”这个“反常”,才进一步探索并提出了级联电池的概念。科研中的“异常”往往不是错误,而是未被认识的新机制。我自己也还在学习如何对异常现象保持敏感,多问几个“为什么”——说不定,下一个突破就在这些“意外”之中。
说到底,我也还在学习的路上,这些体会谈不上成熟,只是和大家共勉。科研之路不易,但正因为有迷茫、有困惑,才让那些偶然的发现和点滴的进步显得格外珍贵。希望我们都能在这条路上,找到属于自己的节奏和热爱。
同时借此机会,感恩各位亲人、师友一路以来的帮助与勉励!也愿分享我硕士导师徐茂文教授当年送给我的一句话—“越努力、越幸运!”!这句话一直激励着我,也希望能带给大家一份力量。祝愿每一位在科研道路上跋涉的青年学者,都能在迷茫中保持初心,在坚持中遇见幸运,在自己的领域里闪闪发光!