2026-05-11 20:17
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本文来自微信公众号： 科学网 ，编辑：|方圆，作者：赵婉婷
当导师与学生的科研追求和信念高度契合，他们或许能联手把不可能变为可能。西湖大学特聘研究员王建辉和博士后刘磊，正是这样一个组合。
近年来，锂电池领域的性能突破层出不穷，而他们聚焦的，则是过去被认为寿命短、不适合商用的无负极电池。
王建辉团队研发了一种新型穿梭耦合电解液，可克服无负极电池的寿命瓶颈，将无负极电池的能量密度提高到常用商业电池的两倍，同时保持低成本优势，为研发兼顾高能量密度和低成本的可充放电池开辟出一条可量产的全新技术路径。相关研究成果近日发表于Nature。
研究开展期间，从实验方向、材料到分析方法，他们的每一个选择都是迎着“麻烦”前进。在王建辉看来，在别人认为困难的领域寻找克服挑战的方法，就是科研进步的时刻。
电池是机器人、高端无人机、可穿戴智能终端硬件虚拟现实（AR/VR）等新兴设备的“心脏”。理想中的电池需要兼顾重量轻、体积小、功率高、安全、成本低、寿命久等特征。
但现实中，这些核心指标之间往往存在着难以打破的“多维博弈”。以追求高能量密度的锂金属电池为例，锂离子通过电解液“游”到负极后，会在负极表面不均匀地沉积，像长树枝一样堆出杂乱无章的“枝晶”。这是限制其循环寿命的关键。
2020年，刘磊初入王建辉课题组读博，他在筛选电解液材料时无意发现，在一类含酰胺基团的溶剂中，锂金属的沉积溶解效率显著高于对照组。按照一般研究流程，他在实验常用的扣式电池上证实，电池工作寿命可大大延长。
这个新发现足以发表不错的文章，但导师王建辉建议他在更严苛的条件下尝试，比如现实中常用的软包电池。
“电池领域比较‘卷’，几乎每天都可以看到相关新闻，报道一些突破性性能。”王建辉坦言，成果若仅停留在扣式电池测试阶段，则会与应用场景脱节。他希望团队能够填补学术界和产业界间的鸿沟。
然而，软包锂金属电池成本很高，在操作中还存在安全隐患。权衡一番后，王建辉建议刘磊试一试无负极软包锂金属电池。
这类电池在制造过程中不使用化学性质活泼的锂金属，在负极侧仅保留铜箔作为集流体，结构更精简，成本更低，且能量密度更高。但枝晶对电池寿命的限制更为严重，领域内普遍认为其不具备真正的应用前景。
在小于300Wh/kg的低能量密度下，这类电池循环寿命不足200次，远低于商用锂电池上千次的循环次数，在能量密度和寿命均不具备竞争优势；而在商用电池难以企及的高能量密度下（>400Wh/kg），其电池寿命更是不足80次，也远未达到无人机电池300次循环的实用门槛。因此，过去人们大多利用无负极模型电池进行机理研究，极少考虑实际应用。
不过，刘磊接受了这个挑战。2022年年底，课题组搬往西湖大学新校区时，刘磊还独自“留守”旧实验室深耕了小半年。获得新结果后，他常常与导师在线上讨论到深夜。“有很多实验现象是新的，又要做一些科研上的判断，我们一聊起来时间不知不觉就过去了。”
这期间，刘磊不断优化测试参数，顺利在无负极电池中实现了508Wh/kg、80%放电深度条件下的350次循环。这突破了商业锂电池长期面临的能量密度与循环寿命的限制，是推向其实用化的重要发现。
此时，凭这一电解液在软包电池中的优异表现，足以在领域内顶刊发表论文。但王建辉清楚，一种性能很快就会变成过去式。“只有深入认识到优异性能背后的本质，才能在电池领域产生持久的影响力。”
王建辉决定，让刘磊自己选择是否要深挖下去。
对刘磊而言，他一步步见证了不可能变为可能的过程，所以从来没想过放弃。
为了回答背后的原理，刘磊选择延毕半年。压力不可否认。但对刘磊来说，这份坚持并不痛苦。
谈及对电池机理的探究过程，刘磊将其比作医生诊断病因，发现问题和寻找解决方案的过程充满了乐趣。他与《中国科学报》分享，自己小时候在家喜欢拆机械电表，研究里面的线圈与齿轮构造，再把电表重新组装。
这和“解剖”电池有点类似。在惰性氛围手套箱中，他需要完成拆解电池、清洗电解液、表征正负极等一系列繁琐操作。同时，由于所研发的软包无负极电池寿命大幅延长，为了获得全周期“解剖”样本，每组实验周期都长达三至六个月。
他的分析揭示了一个神奇的现象：这种电解液在铜表面形成了一层约8nm的超薄界面膜，既允许锂离子均匀进出，又能适应锂的膨胀收缩变化而不破裂，所有锂晶粒同步发生沉积溶解。
这层具有亚纳米级均匀性的膜会在金属生长时鼓起来，在金属溶解时收缩成蜂窝状，形成一种动态的稳定结构，这就克服了锂金属电极结构不稳定的根本缺陷。在独特的平面锂沉积溶解中，枝晶也不复存在。
投稿至Nature后，审稿人提出的最大挑战是阐明锂金属界面膜的分子形成机理。“我的要求很高，审稿人比我还要苛刻。”王建辉笑着说道。为此，团队设计了透明软包电池、原位电子顺磁共振和液体核磁等实验。结果显示，电解液产生的自由基会在正负电极间穿梭时构筑全新界面膜，并抑制产气。
最终，团队报道了500Wh/kg条件下的350次循环寿命，并系统阐释了这一高性能的机理。“而性能背后的全新机制，让我们看到实现更长电池寿命的巨大潜力。”王建辉说。
事实上，高达500Wh/kg的能量密度对新兴智能经济发展非常关键，能满足AR/VR、机器人、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，这一电解液实现量产后，无负极锂电池的成本甚至可比常规锂离子电池低10%至20%。
文章发表以来，王建辉收到许多请教实验细节的邮件，不乏研究者询问：“你们的表征是如何做的？我们也想做。”事实上，电解液机理研究大多通过计算方法来模拟，但团队选择了更耗时间、人力、物力、财力的物理表征进行实验论证。这也是引来众多同行关注的重要原因。
论文截图
在王建辉课题组，学生每周要向他提供一份“周报”。学生可以写下本周工作、下周计划及现阶段遇到的问题。基于周报的一对一交流也更为高效。
刘磊的周报总是让王建辉感到“赏心悦目”——条理清晰、实验细致、记录完整。阅读这样一份细致的周报，王建辉仿佛可以将自己带入实验台前，也能更好地判断一个现象是否值得进一步深挖。这项新成果的起点，正是刘磊当初那份记录详实的周报。
刘磊也会常常嘱咐师弟师妹，要把在实验里观察到的现象充分地跟王老师表达，这样老师就能从学生的叙述中发现很多关键的问题，并提供清晰的指导。
在刘磊眼中，导师王建辉对解决科学问题非常专注，不会轻易放弃任何一个既定课题。“如果导师自己都不想坚持的话，我觉得也会影响到学生的心态，学生更没有毅力坚持下去。”
对于这种专注，王建辉这样解释：“如果热力学上可行，那不断寻找制约它的动力学因素，找到合适的方式和时机，一定能实现。”
王建辉最初建立课题组时，曾细细打磨了一句口号：“科学探索，笃信与质疑共存，偶然与必然同在，是挑战也是机会！孜孜以求，创造新的可能。”在王建辉看来，科研中的许多必然成果往往诞生于偶然发现之中。每个人对同一现象的看法不同，有人相信能做成，有人会质疑可行性，“就看个人的品味和执着了”。
王建辉在读博时，也曾为一个偶然的发现投入五年时间深挖机理。在学生入组前，他会与学生分享他此前的科研经历，考察学生是否愿意沉住气，做更有挑战的工作。
令王建辉欣慰的是，刘磊有这股执着的劲头。师生二人均认同立足长远的科研模式。这一方面得益于西湖大学相对包容的考核机制，另一方面，二人对研究意义的坚定信念，足以滤掉所有杂音。
现在，这一耗时五年半的成果画上了阶段性句号。刘磊也已经顺利毕业，并继续在王建辉课题组开展博士后研究。他们将一起推动这款高比能、低成本、易量产的无负极锂电池实现成果落地。
