2021的新年鐘聲，與殷逸臣手中的實(shí)驗(yàn)瓶碰撞交錯(cuò)著。他眉頭微皺，因?yàn)槭稚系难芯窟B續(xù)幾年看不到希望，這個(gè)研究小組正瀕臨解散。
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讀博期間的他一直執(zhí)念于開(kāi)發(fā)出新型的鹵化物固態(tài)電解質(zhì)。而“錯(cuò)誤”的思路直接把研究導(dǎo)向了“死胡同”。
一次小組例會(huì)后，殷逸臣腦中闖入一個(gè)大膽的想法：如果把傳統(tǒng)石榴石型鋰鑭鋯氧電解質(zhì)中的氧換成氯離子，會(huì)生成什么？
就是這個(gè)過(guò)于“直接”又有些“不太靠譜”的設(shè)想，竟讓他們最終發(fā)現(xiàn)了鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族LixMyLnzCl3。
其研究過(guò)程曲折，發(fā)表過(guò)程也很折磨。投稿給《自然》后，曾遭到同一審稿人兩次拒稿。不曾怯場(chǎng)的他們，兩次向編輯部提交申訴，洋洋灑灑寫(xiě)下100多頁(yè)的申訴信。最終，《自然》編輯部“拍板”接收。
4月5日，《自然》正式發(fā)表了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授姚宏斌與合作者的這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)。“歷史最終站在了我們這邊。”已經(jīng)在做博士后的殷逸臣對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。
姚宏斌指導(dǎo)學(xué)生們做實(shí)驗(yàn)。代蕊攝
“不甘心”
近年來(lái)，關(guān)于鋰電池爆炸的事件并不罕見(jiàn)，而電池的安全很大程度上取決于電解質(zhì)。
由于目前主流商用的液態(tài)電解質(zhì)具有揮發(fā)性和高度可燃性，人們便將目光轉(zhuǎn)向了安全性更高、有望突破能量密度瓶頸的固態(tài)電解質(zhì)。
但傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)的研究思路，一直面臨著難以兼容高電壓正極、對(duì)鋰金屬不穩(wěn)定、原材料成本高等難題。
這也是姚宏斌團(tuán)隊(duì)一直在“死磕”的事情，他們希望開(kāi)發(fā)出有應(yīng)用前景的金屬鹵化物固態(tài)電解質(zhì)。
可惜的是，他們的研究思路出了“錯(cuò)”。
2019年，姚宏斌團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種基于金屬鹵化物鈣鈦礦的梯度導(dǎo)鋰層，不僅實(shí)現(xiàn)了金屬鋰負(fù)極與電解液的隔離，還提升了鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
順著這個(gè)思路，他們想，或許能開(kāi)發(fā)出一種正式鈣鈦礦型的氯化物固態(tài)電解質(zhì)。
兩年多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓大家越來(lái)越看不到希望，“在氯化物的范疇里，正式鈣鈦礦結(jié)構(gòu)更適合做發(fā)光，并不是鋰離子傳導(dǎo)的最優(yōu)選擇。”殷逸臣說(shuō)。
姚宏斌有兩個(gè)小組，一個(gè)是高效金屬鹵化物發(fā)光材料及器件應(yīng)用方向，即“發(fā)光組”，另一個(gè)是新型固態(tài)鋰金屬電池方向，也就是“固態(tài)組”。
殷逸臣所在的就是“固態(tài)組”。那兩年，本就人數(shù)占優(yōu)的“發(fā)光組”成果頻出，而跑偏的“固態(tài)組”深陷泥淖，人數(shù)也越來(lái)越少。
即便如此，姚宏斌對(duì)“固態(tài)組”的研究一直堅(jiān)定支持，有時(shí)也故意開(kāi)玩笑：“‘固態(tài)組’可要加油啊，你們花的可都是‘發(fā)光組’的經(jīng)費(fèi)。”
殷逸臣的心理憋著一股勁。
2021年寒假，在讀博二的殷逸臣留在了實(shí)驗(yàn)室。雖然碩博連讀的他早就達(dá)到了畢業(yè)要求，但一想到放棄已有研究，一股“不甘心”涌上心頭。
一次小組例會(huì)上，姚宏斌提到新型鹵化物電解質(zhì)設(shè)計(jì)可以借鑒傳統(tǒng)的氧化物或者硫化電解質(zhì)。這句話，在殷逸臣的腦海中發(fā)生了奇特的“化學(xué)反應(yīng)”。
殷逸臣發(fā)現(xiàn)，已發(fā)表的氯化物固態(tài)電解質(zhì)Li3InCl6，Li2ZrCl6，都能找到氧化物中的對(duì)應(yīng)Li3InO3，Li2ZrO3，“這樣類比的話，如果把石榴石氧化物電解質(zhì)鋰鑭鋯氧中的氧，換成氯離子，是否能有新的發(fā)現(xiàn)？”
由于氧離子和氯離子的電荷數(shù)，與金屬離子的配位鍵的鍵長(zhǎng)和鍵強(qiáng)完全不同。對(duì)于這個(gè)過(guò)于“直接”的想法， 姚宏斌雖然感到“不太靠譜”，但并沒(méi)有阻止他嘗試。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓大家喜出望外，尤其是看到反應(yīng)后樣品仍然保持了初始LaCl3晶相結(jié)果的時(shí)候，姚宏斌感到這個(gè)體系“非同尋常”。
“姚老師非常尊重我們的想法，他的理性、開(kāi)明、耐心，充分地激發(fā)了我。”殷逸臣說(shuō)。
最終，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，他們發(fā)現(xiàn)了新型的鑭系金屬鹵化物基固態(tài)電解質(zhì)新家族LixMyLnzCl3，這種固態(tài)電解質(zhì)可以直接與鋰金屬負(fù)極和三元正極匹配，實(shí)現(xiàn)無(wú)任何電極修飾且室溫可運(yùn)行的全固態(tài)鋰金屬電池。
實(shí)驗(yàn)中的殷逸臣。代蕊攝
“傳承”
如果說(shuō)殷逸臣為大家開(kāi)了一條新路，把研究推向遠(yuǎn)方的，還有另外3位共同一作。除了負(fù)責(zé)冷凍電鏡方面重任的浙江工業(yè)大學(xué)博士盧功勛，其他2位也是姚宏斌的學(xué)生。
“00后”楊競(jìng)天16歲考入中國(guó)科大少年班。大三那年，他對(duì)交叉學(xué)科產(chǎn)生濃厚興趣，便加入了姚宏斌的課題組，成了跟著殷逸臣的 “師弟”。
雖然年齡最小，但楊競(jìng)天有著很強(qiáng)的理論功底，除了承擔(dān)著固態(tài)電解質(zhì)合成重要任務(wù)，對(duì)固態(tài)核磁表征結(jié)果的機(jī)理解釋，也補(bǔ)足了團(tuán)隊(duì)此前的空白。
提及楊競(jìng)天，姚宏斌和殷逸臣未有一絲年齡“偏見(jiàn)”，反而滿是肯定，“我們?cè)诠虘B(tài)核磁分析上遇到難以解釋的地方，會(huì)經(jīng)常找競(jìng)天討論。”姚宏斌說(shuō)。
這恰好與更多依靠直覺(jué)、“天馬行空”型的殷逸臣形成了很好的互補(bǔ)。
姚宏斌的研究生羅錦達(dá)也是在關(guān)鍵時(shí)刻補(bǔ)位的重要角色。就在研究推進(jìn)時(shí)，負(fù)責(zé)計(jì)算模擬的成員因故退出，尷尬之際，有一些計(jì)算基礎(chǔ)的羅錦達(dá)主動(dòng)扛下了大旗，從零開(kāi)始向中國(guó)科大教授李震宇學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)。
回頭看時(shí)，他們反倒感謝當(dāng)初的小意外，這也倒逼這個(gè)課題組的計(jì)算模擬能力實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有。
“我覺(jué)得自己非常幸運(yùn)，遇到這些優(yōu)秀的學(xué)生。”姚宏斌感慨道。
如今，楊競(jìng)天已經(jīng)進(jìn)入美國(guó)芝加哥大學(xué)攻讀研究生，回憶起曾經(jīng)的“大家庭”，依然感動(dòng)。
“殷逸臣師兄非常努力，他一周7天都在實(shí)驗(yàn)室，而且從不會(huì)把閑雜瑣事甩給我們，非常耐心地手把手教我們做實(shí)驗(yàn)。”楊競(jìng)天說(shuō)。
在他們眼中，姚宏斌也從來(lái)不是在“二線”指揮的導(dǎo)師，而是實(shí)實(shí)在在參與實(shí)驗(yàn)，對(duì)每個(gè)學(xué)生的進(jìn)度和未來(lái)都十分關(guān)心。
“這可能是一種傳承吧。”姚宏斌說(shuō)。
姚宏斌讀博士時(shí)師從中科院院士俞書(shū)宏，“雖然他很忙，但無(wú)時(shí)無(wú)刻不在想著怎么培養(yǎng)學(xué)生，怎么支持我們的發(fā)展。”后來(lái)前往美國(guó)斯坦福大學(xué)教授崔屹組作博士后，也是經(jīng)俞書(shū)宏的推薦。
姚宏斌。代蕊攝
“我還是我”
雖然已經(jīng)發(fā)表了130余篇SCI論文，還連續(xù)三年獲得科睿唯安全球“高被引科學(xué)家”稱號(hào)，但這卻是姚宏斌團(tuán)隊(duì)第一次向《自然》投稿。
而審稿的過(guò)程，像這項(xiàng)研究一樣，充滿了波折。
2021年12月23號(hào)，他們自信滿滿地將文章投給了《自然》，論文很快送審。就在大家期待“修改”意見(jiàn)時(shí)，等來(lái)的卻是“拒稿”。
其中一號(hào)審稿人對(duì)工作的創(chuàng)新性作出了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“這是一個(gè)全新的結(jié)構(gòu)，與已報(bào)道的傳統(tǒng)鹵化物完全不同”，但二號(hào)審稿人卻質(zhì)疑研究的創(chuàng)新性，還對(duì)電池性能提出了更高要求。
基于“一正一負(fù)”的結(jié)果，《自然》決定拒稿。而對(duì)這項(xiàng)工作的創(chuàng)新性有著堅(jiān)定信心的他們，最終決定申訴。
“‘獅子搏兔，尚用全力’，何況我們處于‘弱勢(shì)’。”決定一搏的殷逸臣給審稿回復(fù)定了一個(gè)格調(diào)：源于審稿意見(jiàn)，高于審稿意見(jiàn)。
為此，他們花費(fèi)5個(gè)月時(shí)間讓數(shù)據(jù)、電池性能等達(dá)到了二號(hào)審稿人的要求，同時(shí)還向期刊編輯部寫(xiě)下70多頁(yè)的申訴信。
不久后，他們迎來(lái)第二輪審稿。由于申訴理由充分地回復(fù)了此前的審稿意見(jiàn)，二號(hào)審稿人也承認(rèn)了研究的創(chuàng)新性，但又“加碼”了很多新要求，并建議改投《自然材料》。
面對(duì)第二次拒稿，他們感到有些疑惑。討論之后，決定再次向期刊編輯部投遞了20多頁(yè)的申訴信。
一個(gè)月后，事情迎來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。“期刊編輯認(rèn)可了我們的努力，同時(shí)可能也感覺(jué)到有些審稿意見(jiàn)有些‘苛刻’，所以決定‘重新考慮’。”殷逸臣說(shuō)。
在第三次審稿意見(jiàn)中，二號(hào)審稿人也僅提出了一些關(guān)于文章布局、實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)等非科學(xué)性問(wèn)題上的建議。最終，編輯部做出原則性接收的決定。
面對(duì)兩次拒稿，仍然全力支持學(xué)生們申訴，這或許與姚宏斌近年心態(tài)的轉(zhuǎn)變有關(guān)。
就在研究進(jìn)行時(shí)，姚宏斌的孩子得了場(chǎng)大病。2021年底，他們從合肥輾轉(zhuǎn)到上海的醫(yī)院，準(zhǔn)備為孩子做一場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)極大的手術(shù)。
為了不耽誤論文的投稿，姚宏斌白天跟妻子在醫(yī)院照顧孩子，晚上就跑到附近的快捷酒店改論文。
手術(shù)那天，姚宏斌徹夜未眠，空氣中滿是錯(cuò)亂的呼吸和心跳聲。所幸，手術(shù)還算成功。10天后，他們的論文也正式投給《自然》。
經(jīng)歷過(guò)人生的至暗時(shí)刻，姚宏斌的心態(tài)也越來(lái)越沉穩(wěn)，“不管遇到什么問(wèn)題，總會(huì)有解決辦法。機(jī)會(huì)來(lái)了，我們就抓住，只要盡了努力就好。”
對(duì)于很多學(xué)者，尤其是青年學(xué)者來(lái)說(shuō)，《自然》這類頂刊有著特殊的吸引力。
“我現(xiàn)在想，發(fā)了《自然》又怎么樣？我還是我，還是做原來(lái)的事情。”姚宏斌更在乎的是，曾經(jīng)走進(jìn)死胡同的研究有了新方向，或許未來(lái)可以多爭(zhēng)取些支持，能夠帶著學(xué)生們安心地做感興趣的課題。
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https://www.nature.com/articles/s41586-023-05899-8
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