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論文，首次提出負(fù)極材料“親鋰性”概念 | 專訪

29 歲，僅一篇論文就已引用 1151 次，還曾和諾獎得主&前美國能源部部長朱棣文合寫論文，這是山東女孩劉亞媛的 “戰(zhàn)績”。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，這是一個探索電池負(fù)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(fù)極的穩(wěn)定主體》，并發(fā)表在Nature Nanotechnology 上。

劉亞媛表示，當(dāng)前商業(yè)電池一般使用石墨做負(fù)極，然后嵌入鋰離子來儲存能量。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，每六個碳才能儲存一個鋰離子。

那么，如何提高負(fù)極的能量密度？

使用金屬鋰負(fù)極代替石墨負(fù)極是電池研究的終極目標(biāo)，因?yàn)樗哂懈哂谑?fù)極十倍的質(zhì)量比容量。事實(shí)上，關(guān)于金屬鋰負(fù)極的研究早在五十年前，即鋰離子電池研究的初期就開始了，但一直沒能商業(yè)化，主要原因是鋰非?；顫?，即它的電化學(xué)非常不穩(wěn)定。

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

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

因此，該研究是通過制作納米材料來解決鋰金屬負(fù)極的電化學(xué)和體積的不穩(wěn)定性，她發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯的表面，跟熔融狀態(tài)的金屬鋰之間有很強(qiáng)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，并形成一個具有三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極。

說到這里劉亞媛舉例稱，這和紙巾濕水的道理一樣，即紙巾中的毛細(xì)力會把水吸進(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(fù)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程中維持幾乎不變，并能通過穩(wěn)定金屬鋰表面的鈍化層以減少副反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電池效率和穩(wěn)定性的提高。

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

她和崔屹團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一系列材料表面修飾技術(shù)，從而使不親鋰的材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛H鋰材料。

曾親自參與美國能源部 Battery500 Consortium 項(xiàng)目

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

她表示，當(dāng)下全固態(tài)電池也備受關(guān)注，而它有一個 “致命” 缺點(diǎn)：充放電過程中電極會發(fā)生體積變化，而固態(tài)電解質(zhì)是一個硬結(jié)構(gòu)，因此無法通過很好的形變來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，就無法進(jìn)行離子的傳遞，從而影響全固態(tài)電池持續(xù)高效的運(yùn)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、無機(jī)氧化物陶瓷類、硫化物類，有機(jī)聚合物類固態(tài)電解質(zhì)等。

基于對于三維金屬鋰負(fù)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(xiàng)目 Battery500 Consortium （電池 - 500）。該項(xiàng)目于 2017 年啟動，旨在研發(fā)比能 500wh/kg 的電池。如果此舉能夠?qū)崿F(xiàn)，電池比能將在目前基礎(chǔ)上提高 2.5 倍。

朱棣文也正和崔屹團(tuán)隊(duì)合作推進(jìn)金屬鋰負(fù)極的研究，后來劉亞媛還以第一作者撰寫了論文《用于穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極的超強(qiáng)雙層納米金剛石界面》，并被 Joule 收錄，其中朱棣文和崔屹擔(dān)任共同通訊作者。

她表示在斯坦福讀博期間，導(dǎo)師崔屹對于科學(xué)的好奇心、以及解決實(shí)際問題的激情非常感染人。快畢業(yè)時，崔屹鼓勵大家到其他課題組長見識。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(yàn)到不同的文化。

故此，她來到 MIT 做博后研究，導(dǎo)師為 MIT 大衛(wèi)?H?科赫化學(xué)工程實(shí)踐學(xué)院院長 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，劉亞媛也開始轉(zhuǎn)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(rèn)為是 180° 的大轉(zhuǎn)彎，相反她覺得此前積累的電池經(jīng)驗(yàn)，也適用于目前的研究方向。她說，電化學(xué)碳捕集就像一個小電池，只不過充放電的時候不是在儲存能量，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，需要通過高溫反應(yīng)來進(jìn)行二氧化碳的捕捉和釋放，但高溫反應(yīng)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(jī)分子來進(jìn)行二氧化碳捕集。這種有機(jī)分子在被電化學(xué)還原時可以捕捉二氧化碳，并能在被電化學(xué)氧化時再次釋放二氧化碳，如此就有望實(shí)現(xiàn)在空氣中捕捉二氧化碳。

和現(xiàn)在工廠中常用的復(fù)雜裝置不同的是，該技術(shù)的重點(diǎn)在于能用太陽能和風(fēng)能來做電化學(xué)反應(yīng)，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(dǎo)的二氧化碳分離》。

她告訴 DeepTech，這篇論文的成果在于利用調(diào)控電解質(zhì)的成分，來讓電化學(xué)介導(dǎo)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(jī)電解液來進(jìn)行電化學(xué)二氧化碳捕捉，但有機(jī)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調(diào)控水系電解液的成分，讓電化學(xué)介導(dǎo)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。

五個月后，她又在 Science Advances 上發(fā)表了題為《動態(tài)可控的電化學(xué)介導(dǎo)的氣體門控膜》的論文

該研究是通過新材料的應(yīng)用，研發(fā)出一個小型的納米氣體開關(guān)，并通過加電壓的方式來控制開關(guān)，從而形成連續(xù)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(dǎo)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(dān)任教職。未來她打算利用電化學(xué)原理、以及納米材料的制作和表征，來解決能源和環(huán)境問題。

具體來說，她仍將研究二氧化碳的捕捉，目前使用電化學(xué)來捕捉二氧化碳，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(zhuǎn)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，即需要做一個模塊化的電化學(xué)裝置來實(shí)現(xiàn)二氧化碳的直接捕捉，然后轉(zhuǎn)化成有價值的碳質(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(yīng)用于其他化工分離過程，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