帶領團隊攻關關鍵技術、培養(yǎng)學生自主科研能力，是上海交通大學溥淵未來技術學院長聘教軌副教授薄首行最重視的兩件事。10多年來，他在新型電池技術領域孜孜不倦，致力于開發(fā)出能量更高、成本更低、更安全的固態(tài)電池。堅定科學志向，注重交叉融合，他和團隊取得了一系列科研成果。
“電池里的液態(tài)電解質好比一條小溪，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。”上海交通大學溥淵未來技術學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，他在新型電池技術領域孜孜不倦地追逐目標——開發(fā)出能量更高、成本更低、更安全的固態(tài)電池。
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2017年，薄首行和合作團隊發(fā)現(xiàn)了當時最快的鎂離子固態(tài)導體。2022年，薄首行團隊實現(xiàn)固態(tài)電池三維應力成像，為厘清固態(tài)電池電化學—力學耦合機制提供了強大的工具。帶領團隊攻關關鍵技術、培養(yǎng)學生自主科研能力，是薄首行最重視的兩件事。“希望我們的團隊為發(fā)展新型電池技術做出貢獻。”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，才會更加自信。”這份感悟，與薄首行的求學科研之路如影隨形。
2006年，就讀于復旦大學化學系二年級的薄首行主動申請進入夏永姚教授的課題組研究鋰離子電池。“鋰電池從上世紀90年代才開始商業(yè)化，當時國內(nèi)鋰電池研究不像現(xiàn)在這么熱門，而我對鋰電池材料感興趣。”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練和知識積累，研究也越做越有興趣。”當了解到國內(nèi)生產(chǎn)的鋰離子電池很多部件仍要依賴進口，薄首行迫切想掌握世界上最先進的技術，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石溪分校攻讀博士學位。初到美國，他聽不懂課題組的組會，但科研的興趣和志向一直堅定，“哪怕失敗一百次，還有勇氣再戰(zhàn)第一百零一次”。
攻讀博士學位期間，他學會了如何刨根問底、反復推敲科學細節(jié)，一步步發(fā)掘和完善科研的數(shù)據(jù)鏈、邏輯鏈，“很多自認為已經(jīng)很完整的工作，還要抓住細節(jié)不停地追問，這些經(jīng)歷提升了我對科學的理解。”
科學探索的樂趣就藏在這些看似希望渺茫、別人鮮少涉足的領域
2014年，薄首行來到麻省理工學院材料科學與工程系擔任博士后研究員。他沒想到自己即將進入熱門科研領域里的“冷清角落”，在導師的鼓勵下，開始探索為全固態(tài)鎂電池設計合成固體電解質。
早在1831—1834年，科學家法拉第就發(fā)現(xiàn)硫化銀的離子在固態(tài)電解質中“跑得較快”，硫化銀和氟化鉛可作為電池的固態(tài)電解質，為固態(tài)電池應用奠定了基礎。但近200年過去了，研究離子在固態(tài)電解質中如何運動的固態(tài)離子學仍是很小的學科分支，因為晦澀深奧、難出成果，全世界的研究者寥寥。
“只有把運行的原理和機制搞清楚，才有可能找到解決辦法?？茖W探索的樂趣就藏在這些看似希望渺茫、別人鮮少涉足的領域。”薄首行說。
2017年，薄首行加入上海交通大學密西根學院。“國內(nèi)的新能源技術發(fā)展迅速，科研力量和研發(fā)經(jīng)費投入都在快速增長。”他慶幸自己趕上了國家科技自立自強的發(fā)展浪潮，青年科學家有了廣闊的舞臺。薄首行說，來自上海市和上海交通大學的支持非常全面，不僅給足了科研啟動經(jīng)費、保證了博士生名額，還解決了子女就學等后顧之憂，“上海市、學校、學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)電池擁有高安全性、高能量密度的優(yōu)點，因此受到學界、產(chǎn)業(yè)界的青睞，但因諸多技術挑戰(zhàn)難以實現(xiàn)大規(guī)模應用，比如鋰電池在充電過程中鋰離子會“還原”形成樹枝狀的金屬鋰，然而，這些鋰金屬枝晶在固態(tài)電解質內(nèi)部生長，會導致電池迅速短路。學界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鋰金屬枝晶的生長與固態(tài)電池內(nèi)部應力變化有關，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。只用光或聲都無法達到固態(tài)電池內(nèi)部的清晰成像，能否把光和聲結合起來，利用醫(yī)用光聲成像一探究竟呢？他找到了密西根學院研究醫(yī)學成像的陳松良老師，共同搭建電池成像診斷實驗。
學科交叉融合為這項研究開辟了新思路，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)電解質內(nèi)部的微觀應力演化過程，并基于大量的三維應力成像實驗數(shù)據(jù)，提出了電化學—力學耦合模型。
最想聽到學生說“老師，你說的不對”
2021年8月，上海交大溥淵未來技術學院成立，是全國首批12所未來技術學院之一、也是目前上海市唯一的未來技術學院，薄首行擔任學院固態(tài)電池研究中心執(zhí)行主任。學院瞄準未來10—15年的技術發(fā)展，做前瞻性布局，本博一貫制培養(yǎng)模式、交叉融合的課程設計，為培養(yǎng)創(chuàng)新型領軍人才打開通道。
薄首行課題組的學生在學院是出了名的勤奮，學生們說，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幫助她克服了科研初始的畏難心理。剛進組時，她在組會上用英文作報告經(jīng)常卡殼，但薄老師耐心傾聽，提點補充，尤其在問答環(huán)節(jié)要求學生們不斷提問。“提問和表達是科研的基本功，你可能做了100分的科研，但因為不懂表達，‘說’成了60分。”
博士生周靜穎說，從一進組，薄老師就在培養(yǎng)他們的質疑精神。每次她和薄老師說“這個觀點是師姐師兄告訴我的，文獻里也是這么說的”，薄老師都會讓她打破“迷信”，自己去看文獻、找選題。薄首行希望培養(yǎng)的是既有獨立自主的科研能力，也有自信可以平視世界一流大學的學生。而他最想聽到學生說：“老師，你說的不對”，敢于挑戰(zhàn)權威，才有可能突出重圍。
有一次，周靜穎的一項實驗需要新樣品，但新樣品價格昂貴，且必須從海外購置、歷時半年以上才能拿到，她擔心大費周章后實驗結果不如預期。薄首行聽說后二話不說，拿出經(jīng)費支持購置新樣品，唯一的要求是她必須參與整個測試過程，學會自己動手操作。
消除學生對老師的依賴慣性，引導學生大膽嘗鮮、獨立思考、自由探索，薄首行踐行著自己的育人理念。“薄老師經(jīng)常對我們說，做科研既不能遠視也不能近視，不要總盯著學界‘大牛’在做什么，我就跟著做，同時，眼界要拓展到自己的課題之外，注重學科的交叉融合，和其他學科實驗室探討，找到合作的路徑。”博士生郜一蓉即將畢業(yè)，她表達了自己的不舍，“從薄老師課題組走出來的科研人員，可以很自豪地說每項工作都是我們的亮點。”
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