与“锂”结缘

China Campus - - CURRENT AFFAIRS - 文/张学强 (清华大学)

学术故事开篇

我的导师叫张强,我叫张学强,导师张强是清华大学化学系的教授,我是清华大学的一名硕士研究生。我比导师名字多了一个“学”字,冥冥之中似有安排,我将在导师的指导下,学习进步做科研。

当我在浏览化工系官网,选择导师的时候,发现了一个和我自己的名字非常类似的名字,当时我就在想还能有如此奇妙之事?而在看完研究方向后,我发现老师的方向也与我的兴趣相符。

我与导师不仅名字有缘分,研究方向也可用志同道合来形容,更欣喜的是我满怀忐忑给导师发去第一封邮件后,张老师几乎是秒回了我的邮件。就这样,复试通过后,我成功进入了张老师课题组。由此开启了一段与众不同的“强强联合”之路。

在进入课题组后,我的课题由大化工转变为先进电池体系的研究。而我之前并没有接触过相关领域,所以在开始自己的课题的时候,基本是零基础。

所以,为了帮我打基础,张老师在一开学的时候就让我试着写一篇综述来增加文献阅读量。

面对这样的要求,我在懵了 几天之后,也逐渐开始了自己的写作计划。那段时间,除了上课和实验之外,我的精力全都用在了如何写好一篇综述上。有时在清晨四五点,人还没醒的时候,大脑已经开始进入工作状态。醒来的第一件事就是抓紧记下自己刚刚“梦”到的内容。30天里,我完成了200多篇文献的阅读,并完成了18页英文综述的初稿。

这篇文章在出版之后18个月内,也获得了广泛认可和引用,成为该期刊创刊以来引用量TOP3,并入选ESI高被引和热点文章。

除读文献,了解领域前沿之外,基本的科研训练也是必不可少。我在刚入组的时候,对于各种 电池还分不清,电池的装配也是从来没有尝试过。在我第一次自己动手装配的8个电池中,只有1个成功活了下来,其他7个因为“手抖”而无法对齐各部分,都存在这样那样的问题。

为了解决电池装配、克服手抖的问题,我在入组两个月时间内,组装了1000多只电池,长期占据着实验室的测试通道。在1000多次的练习后,我积累了大量实验的经验,电池装配也达到了极高的成功率。印象中,我曾经一次性组装了56个电池,只有2个失败了。

这样的基本功为以后实验的一致性提供了很好保证,并减少了无用功,从而可以节省时间做科研。自此之后,我也开始了自己的独立科研之路。

耕种“锂”

课题中我要解决的问题就是,为保证电池安全性,就必须要调控锂沉积过程,抑制锂枝晶的生长。

那如何来应对这个严峻的问题呢?我首先从农民伯伯的耕地中找到解决问题的灵感。

由于我生在、长在华北平原,每到秋耕时间,农民伯伯就会面临一个问题,如何在满是玉米根的土

地里耕种小麦。因为秋季是收获玉米的时节,在收完玉米之后,玉米杆的根仍会留在土地里,会严重影响小麦的播种。所以,为了更好的播种,就必须先把这些根先打碎,混进土地里,翻新土壤,然后再播种小麦种子,这样既利用了玉米杆这种天然肥料,又方便了播种,一举两得。

本来无用甚至会成为庄家生长障碍的玉米杆竟反过来成为不可多得的肥料!学术研究中会不会也存在这样的能量转换呢?

带着这样的想法和初步思路,我开始了为期三个月的摸索和毫无头绪的研究。

终于,在一次与同学的交流中,我了解到电池中常用的这种锂盐LiPF6很容易水解,水解后对于电池很不利。而在仔细调研后,我发现LiPF6水解产物中就含有大量我们需要的产物。当时心想,这真是踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫。这个过程和玉米杆的充分利用有异曲同工之效,本来是对电池非常不利的水解产物,仔细研究后竟可分离出我们研究所需的有用之物。

所以,我想是否可以利用这类副反应,变不利为有利,以此来实现我们的设想呢?在这种思考角度的指导下,我经过一个多月的摸索和尝试,先后进行了近100次实验,成功将方案变为了现实,想播种庄家一样,细心耕种我所需要的“锂”元素,经制备得到均匀的柱状锂,初步 实现了调控锂沉积的目标。

由于这项科学研究方法的简洁、新颖,这篇文章的配图也成功入选了化学期刊Angew的封面文章。

给锂离子“定做”降落伞

如果说第一个封面故事是在地面上调控锂沉积的话,那么如何进一步实现在天空中精确制导锂离子,实现天地协同呢?

微观上看,锂离子的沉积过程就像是人穿着降落伞从天空落到地面上一样。在这其中,降落伞的样式,材质以及结构对于降落过程有非常明显的影响。但与普通的降落伞不同的是,锂离子的降落伞是看不见、摸不着的,而且是几个分子 大小的。这就给锂离子降落伞的设计带来了很大的困难。

在经历几个月的不断尝试后,我终于给锂离子“量身定做”了一款降落伞。对于使用老款降落伞的锂离子而言,锂离子在降落过程中会聚集在一起,并在此基础上疯狂扩张,从而带来十分不利的影响。

而在使用新款降落伞之后,锂离子能均匀分散降落,一个萝卜一个坑,避免聚集,平稳生长。

在真实电池体系的测试中,其优异的性能也得到很好地验证。这篇文章在投稿15天后,被直接接受,并作为主封面刊登。

在耕种所得的柱状锂和为锂离子定做降落伞两项工作的基础上,我也初步尝试在宏观应用上试水,通过在空中设计一层保护层,来为电池安全增加双保险,从而将柱状锂、锂离子降落伞和空中保护层三者构成一个简单的体系,从而进行下一步的研究。在这之中,我也体会到了科研一点点推进的乐趣和成就感。

科研之路漫漫,吾将上下而求索。

张学强,清华大学化工系2016级硕士生,主要从事先进电池体系的研究,通过调控锂沉积过程,抑制锂枝晶的生长,以保证电池安全性。他的多个研究成果登上了核心期刊的封面,每个封面都有故事,因为它们记载着张学强科研经历中记忆最深刻的片段。

锂枝晶

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