帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、培養(yǎng)學(xué)生自主科研能力，是上海交通大學(xué)溥淵未來技術(shù)學(xué)院長聘教軌副教授薄首行最重視的兩件事。10多年來，他在新型電池技術(shù)領(lǐng)域孜孜不倦，致力于開發(fā)出能量更高、成本更低、更安全的固態(tài)電池。堅(jiān)定科學(xué)志向，注重交叉融合，他和團(tuán)隊(duì)取得了一系列科研成果。
“電池里的液態(tài)電解質(zhì)好比一條小溪，里面的很多材料顆粒就像這條小溪里的石頭，鋰離子暢快地游走在小溪里，如果把溪水換成板磚，鋰離子照樣跑得快，還能解決液態(tài)電解質(zhì)易燃易爆的問題。我們要做的就是尋找‘替代溪水的板磚’或那些在‘板磚’間也能通行無阻的離子。”上海交通大學(xué)溥淵未來技術(shù)學(xué)院長聘教軌副教授薄首行這樣科普自己的研究工作。10多年來，他在新型電池技術(shù)領(lǐng)域孜孜不倦地追逐目標(biāo)——開發(fā)出能量更高、成本更低、更安全的固態(tài)電池。
(資料圖片僅供參考)
2017年，薄首行和合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)最快的鎂離子固態(tài)導(dǎo)體。2022年，薄首行團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池三維應(yīng)力成像，為厘清固態(tài)電池電化學(xué)—力學(xué)耦合機(jī)制提供了強(qiáng)大的工具。帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、培養(yǎng)學(xué)生自主科研能力，是薄首行最重視的兩件事。“希望我們的團(tuán)隊(duì)為發(fā)展新型電池技術(shù)做出貢獻(xiàn)。”36歲的薄首行說。
哪怕失敗一百次，還有勇氣再戰(zhàn)第一百零一次
“自信是培養(yǎng)出來的，在挫折中站起來，爬出低谷、向上攀登，才會(huì)更加自信。”這份感悟，與薄首行的求學(xué)科研之路如影隨形。
2006年，就讀于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系二年級(jí)的薄首行主動(dòng)申請(qǐng)進(jìn)入夏永姚教授的課題組研究鋰離子電池。“鋰電池從上世紀(jì)90年代才開始商業(yè)化，當(dāng)時(shí)國內(nèi)鋰電池研究不像現(xiàn)在這么熱門，而我對(duì)鋰電池材料感興趣。”從電池材料的合成、極片制作、電池組裝到電池的測試，薄首行沉浸在電池的世界。“在夏老師的課題組，我獲得了充分的科研訓(xùn)練和知識(shí)積累，研究也越做越有興趣。”當(dāng)了解到國內(nèi)生產(chǎn)的鋰離子電池很多部件仍要依賴進(jìn)口，薄首行迫切想掌握世界上最先進(jìn)的技術(shù)，做自主研發(fā)的鋰離子電池。
2009年，薄首行到美國紐約州立大學(xué)石溪分校攻讀博士學(xué)位。初到美國，他聽不懂課題組的組會(huì)，但科研的興趣和志向一直堅(jiān)定，“哪怕失敗一百次，還有勇氣再戰(zhàn)第一百零一次”。
攻讀博士學(xué)位期間，他學(xué)會(huì)了如何刨根問底、反復(fù)推敲科學(xué)細(xì)節(jié)，一步步發(fā)掘和完善科研的數(shù)據(jù)鏈、邏輯鏈，“很多自認(rèn)為已經(jīng)很完整的工作，還要抓住細(xì)節(jié)不停地追問，這些經(jīng)歷提升了我對(duì)科學(xué)的理解。”
科學(xué)探索的樂趣就藏在這些看似希望渺茫、別人鮮少涉足的領(lǐng)域
2014年，薄首行來到麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系擔(dān)任博士后研究員。他沒想到自己即將進(jìn)入熱門科研領(lǐng)域里的“冷清角落”，在導(dǎo)師的鼓勵(lì)下，開始探索為全固態(tài)鎂電池設(shè)計(jì)合成固體電解質(zhì)。
早在1831—1834年，科學(xué)家法拉第就發(fā)現(xiàn)硫化銀的離子在固態(tài)電解質(zhì)中“跑得較快”，硫化銀和氟化鉛可作為電池的固態(tài)電解質(zhì)，為固態(tài)電池應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但近200年過去了，研究離子在固態(tài)電解質(zhì)中如何運(yùn)動(dòng)的固態(tài)離子學(xué)仍是很小的學(xué)科分支，因?yàn)榛逎願(yuàn)W、難出成果，全世界的研究者寥寥。
“只有把運(yùn)行的原理和機(jī)制搞清楚，才有可能找到解決辦法。科學(xué)探索的樂趣就藏在這些看似希望渺茫、別人鮮少涉足的領(lǐng)域。”薄首行說。
2017年，薄首行加入上海交通大學(xué)密西根學(xué)院。“國內(nèi)的新能源技術(shù)發(fā)展迅速，科研力量和研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入都在快速增長。”他慶幸自己趕上了國家科技自立自強(qiáng)的發(fā)展浪潮，青年科學(xué)家有了廣闊的舞臺(tái)。薄首行說，來自上海市和上海交通大學(xué)的支持非常全面，不僅給足了科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、保證了博士生名額，還解決了子女就學(xué)等后顧之憂，“上海市、學(xué)校、學(xué)院都沒給過我任何出成果的壓力，而是讓我放心大膽地去探索。”
固態(tài)電池?fù)碛懈甙踩?、高能量密度的?yōu)點(diǎn)，因此受到學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界的青睞，但因諸多技術(shù)挑戰(zhàn)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，比如鋰電池在充電過程中鋰離子會(huì)“還原”形成樹枝狀的金屬鋰，然而，這些鋰金屬枝晶在固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部生長，會(huì)導(dǎo)致電池迅速短路。學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鋰金屬枝晶的生長與固態(tài)電池內(nèi)部應(yīng)力變化有關(guān)，但具體是如何相互作用的，尚不知曉。
薄首行迎難而上，他從2018年起探求電池成像診斷技術(shù)。只用光或聲都無法達(dá)到固態(tài)電池內(nèi)部的清晰成像，能否把光和聲結(jié)合起來，利用醫(yī)用光聲成像一探究竟呢？他找到了密西根學(xué)院研究醫(yī)學(xué)成像的陳松良老師，共同搭建電池成像診斷實(shí)驗(yàn)。
學(xué)科交叉融合為這項(xiàng)研究開辟了新思路，經(jīng)過近3年的不懈努力，他們終于成功測量了電池制備及充放電前后固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部的微觀應(yīng)力演化過程，并基于大量的三維應(yīng)力成像實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了電化學(xué)—力學(xué)耦合模型。
最想聽到學(xué)生說“老師，你說的不對(duì)”
2021年8月，上海交大溥淵未來技術(shù)學(xué)院成立，是全國首批12所未來技術(shù)學(xué)院之一、也是目前上海市唯一的未來技術(shù)學(xué)院，薄首行擔(dān)任學(xué)院固態(tài)電池研究中心執(zhí)行主任。學(xué)院瞄準(zhǔn)未來10—15年的技術(shù)發(fā)展，做前瞻性布局，本博一貫制培養(yǎng)模式、交叉融合的課程設(shè)計(jì)，為培養(yǎng)創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才打開通道。
薄首行課題組的學(xué)生在學(xué)院是出了名的勤奮，學(xué)生們說，勤奮不是來自薄老師“施壓”，而是在薄老師的影響下，他們?nèi)计鸬目蒲袩崆椤?/p>
博士生李坪說，是薄老師不斷的鼓勵(lì)幫助她克服了科研初始的畏難心理。剛進(jìn)組時(shí)，她在組會(huì)上用英文作報(bào)告經(jīng)?？?，但薄老師耐心傾聽，提點(diǎn)補(bǔ)充，尤其在問答環(huán)節(jié)要求學(xué)生們不斷提問。“提問和表達(dá)是科研的基本功，你可能做了100分的科研，但因?yàn)椴欢磉_(dá)，‘說’成了60分。”
博士生周靜穎說，從一進(jìn)組，薄老師就在培養(yǎng)他們的質(zhì)疑精神。每次她和薄老師說“這個(gè)觀點(diǎn)是師姐師兄告訴我的，文獻(xiàn)里也是這么說的”，薄老師都會(huì)讓她打破“迷信”，自己去看文獻(xiàn)、找選題。薄首行希望培養(yǎng)的是既有獨(dú)立自主的科研能力，也有自信可以平視世界一流大學(xué)的學(xué)生。而他最想聽到學(xué)生說：“老師，你說的不對(duì)”，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，才有可能突出重圍。
有一次，周靜穎的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)需要新樣品，但新樣品價(jià)格昂貴，且必須從海外購置、歷時(shí)半年以上才能拿到，她擔(dān)心大費(fèi)周章后實(shí)驗(yàn)結(jié)果不如預(yù)期。薄首行聽說后二話不說，拿出經(jīng)費(fèi)支持購置新樣品，唯一的要求是她必須參與整個(gè)測試過程，學(xué)會(huì)自己動(dòng)手操作。
消除學(xué)生對(duì)老師的依賴慣性，引導(dǎo)學(xué)生大膽嘗鮮、獨(dú)立思考、自由探索，薄首行踐行著自己的育人理念。“薄老師經(jīng)常對(duì)我們說，做科研既不能遠(yuǎn)視也不能近視，不要總盯著學(xué)界‘大牛’在做什么，我就跟著做，同時(shí)，眼界要拓展到自己的課題之外，注重學(xué)科的交叉融合，和其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)室探討，找到合作的路徑。”博士生郜一蓉即將畢業(yè)，她表達(dá)了自己的不舍，“從薄老師課題組走出來的科研人員，可以很自豪地說每項(xiàng)工作都是我們的亮點(diǎn)。”
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