29歲山東女生單篇論文被引1151次，曾與諾獎得主朱棣文合寫(xiě)論文，首次提出負極材料“親鋰性”概念 | 專(zhuān)訪(fǎng)

29 歲，僅一篇論文就已引用 1151 次，還曾和諾獎得主&前美國能源部部長(cháng)朱棣文合寫(xiě)論文，這是山東女孩劉亞媛的 “戰績(jì)”。她曾師從崔屹，博士畢業(yè)于斯坦福大學(xué)，目前正在麻省理工學(xué)院（MIT）做博后研究。

關(guān)于這篇引用量極高的論文，她告訴 DeepTech，這是一個(gè)探索電池負極的成果。論文題目為《具有納米級層間間隙的層狀還原氧化石墨烯作為鋰金屬負極的穩定主體》，并發(fā)表在Nature Nanotechnology 上。

劉亞媛表示，當前商業(yè)電池一般使用石墨做負極，然后嵌入鋰離子來(lái)儲存能量。其局限性在于，單位體積和單位質(zhì)量的石墨的可儲存能量非常有限，每六個(gè)碳才能儲存一個(gè)鋰離子。

那么，如何提高負極的能量密度？

使用金屬鋰負極代替石墨負極是電池研究的終極目標，因為它具有高于石墨負極十倍的質(zhì)量比容量。事實(shí)上，關(guān)于金屬鋰負極的研究早在五十年前，即鋰離子電池研究的初期就開(kāi)始了，但一直沒(méi)能商業(yè)化，主要原因是鋰非?；顫?，即它的電化學(xué)非常不穩定。

金屬鋰一旦進(jìn)入電解液，就會(huì )發(fā)生副反應從而極大地縮短電池循環(huán)壽命。并且在充放電的過(guò)程中，鋰金屬體積會(huì )發(fā)生巨變（一毫安時(shí)每平方厘米的能量至少會(huì )造成五微米的厚度變化）。

以手機電池為例，它起碼有十幾層電極，每層能量至少是三毫安時(shí)每平方厘米。如果把鋰金屬負極放在一個(gè)手機電池中，在手機的充放電過(guò)程中，至少有毫米級甚至更大體積的變化，這會(huì )讓電池不穩定。

因此，該研究是通過(guò)制作納米材料來(lái)解決鋰金屬負極的電化學(xué)和體積的不穩定性，她發(fā)現氧化石墨烯的表面，跟熔融狀態(tài)的金屬鋰之間有很強的相互作用力，基于此提出一種名為親鋰性的概念，然后把氧化石墨烯和處于熔融狀態(tài)的金屬接觸，這時(shí)熔融狀態(tài)的金屬很快就能爬到石墨烯間隙里，并形成一個(gè)具有三維結構的復合電極。

說(shuō)到這里劉亞媛舉例稱(chēng)，這和紙巾濕水的道理一樣，即紙巾中的毛細力會(huì )把水吸進(jìn)去。只是在該研究中吸的不是水，而是液態(tài)的金屬鋰。由于氧化石墨烯的質(zhì)量很輕，此復合電極仍然具有很高的比容量（金屬鋰占到電極總質(zhì)量的 90% 以上）。

更重要的是氧化石墨烯框架的引入，能讓電極體積在充放電過(guò)程中維持幾乎不變，并能通過(guò)穩定金屬鋰表面的鈍化層以減少副反應，從而實(shí)現電池效率和穩定性的提高。

劉亞媛告訴 DeepTech，這一概念打開(kāi)了新的實(shí)驗方向，此后，來(lái)自世界各地不同課題組陸續報到了許多具有親鋰性的新材料。

她和崔屹團隊還開(kāi)發(fā)了一系列材料表面修飾技術(shù)，從而使不親鋰的材料轉變?yōu)橛H鋰材料。

曾親自參與美國能源部 Battery500 Consortium 項目

緊接著(zhù)圍繞上述研究，劉亞媛在讀博期間還做了系列后續工作，他們把三維金屬鋰負極應用在固態(tài)電池中，并在 Science Advances 發(fā)表了論文《用于全固態(tài)電池的具有可流動(dòng)界面的三維金屬鋰負極》。

她表示，當下全固態(tài)電池也備受關(guān)注，而它有一個(gè) “致命” 缺點(diǎn)：充放電過(guò)程中電極會(huì )發(fā)生體積變化，而固態(tài)電解質(zhì)是一個(gè)硬結構，因此無(wú)法通過(guò)很好的形變來(lái)貼合電極的體積變化，一旦固態(tài)電解質(zhì)和電極界面分離，就無(wú)法進(jìn)行離子的傳遞，從而影響全固態(tài)電池持續高效的運作。

在該研究中她同樣使用了三維電極，這種電極的比表面積很大，如此就能大大提高電極和固態(tài)電解質(zhì)接觸的面積，從而讓全固態(tài)電池能在更高的電流和循環(huán)容量的情況下工作。

并且該技術(shù)具備普適性，因此可用于幾乎所有的固態(tài)電池、無(wú)機氧化物陶瓷類(lèi)、硫化物類(lèi)，有機聚合物類(lèi)固態(tài)電解質(zhì)等。

基于對于三維金屬鋰負極的研究，劉亞媛親自參與了崔屹課題組和美國能源部的合作項目 Battery500 Consortium （電池 - 500）。該項目于 2017 年啟動(dòng)，旨在研發(fā)比能 500wh/kg 的電池。如果此舉能夠實(shí)現，電池比能將在目前基礎上提高 2.5 倍。

朱棣文也正和崔屹團隊合作推進(jìn)金屬鋰負極的研究，后來(lái)劉亞媛還以第一作者撰寫(xiě)了論文《用于穩定鋰金屬負極的超強雙層納米金剛石界面》，并被 Joule 收錄，其中朱棣文和崔屹擔任共同通訊作者。

她表示在斯坦福讀博期間，導師崔屹對于科學(xué)的好奇心、以及解決實(shí)際問(wèn)題的激情非常感染人?？飚厴I(yè)時(shí)，崔屹鼓勵大家到其他課題組長(cháng)見(jiàn)識。此外，斯坦福大學(xué)在美國西海岸，而 MIT 在東海岸，崔屹也希望劉亞媛能體驗到不同的文化。

故此，她來(lái)到 MIT 做博后研究，導師為 MIT 大衛?H?科赫化學(xué)工程實(shí)踐學(xué)院院長(cháng) T?阿倫?哈頓 (T. Alan Hatton)。

哈頓教授主要研究碳捕獲、碳利用和碳封存。因此在 MIT 做博后研究期間，劉亞媛也開(kāi)始轉向電化學(xué)與二氧化碳捕集。

從電池到電化學(xué)二氧化碳捕捉，她并不認為是 180° 的大轉彎，相反她覺(jué)得此前積累的電池經(jīng)驗，也適用于目前的研究方向。她說(shuō)，電化學(xué)碳捕集就像一個(gè)小電池，只不過(guò)充放電的時(shí)候不是在儲存能量，而是在捕捉和釋放二氧化碳。

MIT 做博后，開(kāi)始研究二氧化碳捕集

對于二氧化碳捕集，目前工業(yè)常用方法主要是胺洗滌，需要通過(guò)高溫反應來(lái)進(jìn)行二氧化碳的捕捉和釋放，但高溫反應非常消耗能量。

而劉亞媛的研究方向，是使用具有電化學(xué)活性的有機分子來(lái)進(jìn)行二氧化碳捕集。這種有機分子在被電化學(xué)還原時(shí)可以捕捉二氧化碳，并能在被電化學(xué)氧化時(shí)再次釋放二氧化碳，如此就有望實(shí)現在空氣中捕捉二氧化碳。

和現在工廠(chǎng)中常用的復雜裝置不同的是，該技術(shù)的重點(diǎn)在于能用太陽(yáng)能和風(fēng)能來(lái)做電化學(xué)反應，故此它是非常模塊化的裝置，也非常容易被安裝。

2020 年 5 月，她以 MIT 博后的身份，在 Nature Communications 發(fā)表了論文《用醌分子在高鹽濃度水介質(zhì)中的電化學(xué)介導的二氧化碳分離》。

她告訴 DeepTech，這篇論文的成果在于利用調控電解質(zhì)的成分，來(lái)讓電化學(xué)介導的二氧化碳捕捉技術(shù)更高效。此前研究中，人們主要使用有機電解液來(lái)進(jìn)行電化學(xué)二氧化碳捕捉，但有機電解液是可燃的因此安全性能不夠好。

而這一成果的好處在于通過(guò)調控水系電解液的成分，讓電化學(xué)介導的二氧化碳捕捉技術(shù)可以在水溶液中進(jìn)行，如此不僅能增加安全性，還可增加二氧化碳的捕捉效率。

五個(gè)月后，她又在 Science Advances 上發(fā)表了題為《動(dòng)態(tài)可控的電化學(xué)介導的氣體門(mén)控膜》的論文

該研究是通過(guò)新材料的應用，研發(fā)出一個(gè)小型的納米氣體開(kāi)關(guān)，并通過(guò)加電壓的方式來(lái)控制開(kāi)關(guān)，從而形成連續性的二氧化碳捕捉和釋放。

2020 年，劉亞媛?lián)蔚谝蛔髡叩恼撐亩际茄芯侩娀瘜W(xué)捕捉二氧化碳。而碳捕集、碳中和的概念在 2021 年初才真正 “破圈” 為更多人所知。談及所做研究的前瞻性，劉亞媛表示其博士后導師哈頓教授關(guān)注電化學(xué)捕捉二氧化碳已經(jīng)十年有余。

2022 年 1 月，劉亞媛即將進(jìn)入高校擔任教職。未來(lái)她打算利用電化學(xué)原理、以及納米材料的制作和表征，來(lái)解決能源和環(huán)境問(wèn)題。

具體來(lái)說(shuō)，她仍將研究二氧化碳的捕捉，目前使用電化學(xué)來(lái)捕捉二氧化碳，仍處于非常起步的階段。再就是，捕捉到二氧化碳之后如何轉化成有用化學(xué)物質(zhì)，這就需要電化學(xué)的二氧化碳還原，即需要做一個(gè)模塊化的電化學(xué)裝置來(lái)實(shí)現二氧化碳的直接捕捉，然后轉化成有價(jià)值的碳質(zhì)燃料和化學(xué)品。

除了二氧化碳的分離，她相信電化學(xué)的方法也能廣泛應用于其他化工分離過(guò)程，如水處理、制****中混合物料的分離等。目前這些分離工藝往往能耗都比較高。因此，她希望在未來(lái)攻克這些難題。

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參考：

https://www.nature.com/articles/nnano.2016.32

https://advances.sciencemag.org/content/3/10/eaao0713

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16150-7

https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eabc1741