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2020年10月16日
【中国青年科技奖系列报道】余彦:为美好生活“充电”

10月18日,第十六届中国青年科技奖揭晓,中国科学技术大学教授余彦名列其中。在二次电池领域深耕了近二十年,余彦在储能电池材料方面取得了一系列成果:提出普适性材料设计筛选策略,获得长循环寿命的正极材料;提出多相-多尺度协同调控电极材料的导电性、离子传输效率及体积膨胀的策略,提高负极材料长循环寿命和快速充放性能。

面对奖项,余彦很谦虚,“获得青年科技奖是对我多年科研工作的肯定和勉励,是一种鞭策,更是一份责任。探索之路无止境,名誉奖励不是目标。我要继续努力,用更优异的成绩回报这一荣誉。”

勇攀科学高峰  突破钠离子电池技术瓶颈

电池的出现改变了人类的生产和生活方式。1800年,人类历史上第一个电池“伏打电堆”问世。历经两百余年,电池不断满足人们对电力灵活运用的需求,为生产生活提供便携的能源支持。近年来,随着对环境污染问题的日益关注和对可再生能源利用的巨大需求,二次电池因其环保、便携、循环寿命长的优势,在新一轮能源变革中迎来新的发展机遇。

二次电池,又称可充电电池或蓄电池,其中最常见的就是锂离子电池,因为其在能量密度方面的优势,已经被普遍应用于手机、笔记本电脑和电动汽车中。但是,由于锂离子电池所需的钴、锂元素的稀缺,使得锂离子电池价格高昂。如何降低二次电池的制造成本,是研究者们面临的难题。

科学家们在研究中发现,钠离子电池具有与锂离子电池相似的化学机理,而钠离子成本更为低廉,对未来大规模储能具有重要的战略意义。可是,钠离子电池能量存储能力不足,在循环寿命上也存在巨大短板。如何设计“长寿命、快充放的电极材料”,获得“高能量密度和高功率密度的钠离子电池器件”,是该领域亟需解决的瓶颈问题。

多年来,余彦带领团队,聚焦于高性能钠离子电池电极材料及器件的研究,重点针对钠离子电池倍率性能差(电子电导低)和循环寿命短(正极和负极稳定性差)等难题,提出了微纳结构设计、表/界面和组分调控等三位一体的协同调控策略,发展了可控普适合成的新方法,获得了高稳定的正、负极材料,并实现了安时级别钠离子电池器件。

钠离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液等构成。电极材料是二次电池的“心脏”,也是突破其性能瓶颈的关键。余彦带领团队,打出了“组合拳”:在正极材料方面,提出“三连续”策略,揭示电极材料“离子、电子、电荷传输协同增强”的机制;在负极材料方面,提出多相多尺度协同调控电极材料的导电性、离子传输效率及体积效应的策略,实现了电极材料循环过程中自缓冲体积膨胀,揭示了其构效关系的内在本质。

勇担科技使命  推进钠离子电池产业化

余彦拥有一张漂亮的科研成绩单:近年来,发表SCI论文200余篇(以通讯作者在Adv Mater发表30余篇),其中27篇入选ESI高被引论文;SCI他引15000余次,H因子70,入选“科睿唯安”以及“爱思唯尔”材料类高被引学者榜单;获授权发明专利5件。

她先后入选国家优秀青年科学基金、英国皇家化学会会士、国家杰出青年基金,分别荣获德国洪堡基金会“索菲亚奖”、安徽省自然科学一等奖(第一完成人)、中国硅酸盐学会青年科技奖、中国化工学会侯德榜科技青年奖等奖项,被邀请作国际会议报告20余次。

科学研究不能仅满足于提出新想法,写出技术报告、发表科研论文、形成专利,更要密切结合到关键技术的研发过程中去,以科研成果快速转化成生产力为使命。余彦的系列工作突破了钠离子电池的技术瓶颈,为钠离子电池的大规模商用提供了可能。

在钠离子电池器件性能优化上,余彦带领团队,提出电解液辅助的钠离子嵌入策略,实现了钠离子电池材料与结构的协同优化,获得了长循环寿命高倍率的钠离子电池柔性全电池。此外,余彦团队还实现了长循环寿命钠离子电池安时级软包电池。自然杂志以“Better battery with more juice”的文章对余彦的钠离子电池相关工作做了亮点介绍。

当前,余彦团队已与多家公司洽谈,下一步将着力推进储能电池的产业化发展。“科技创新绝不仅仅是实验室里的研究,而是要转化为推动经济社会发展的现实动力,为老百姓提供更加便捷和美好的生活,这是科研人员的使命。”使命源于对未知世界的好奇心和改变世界的雄心。余彦成长于一个教师家庭,幼时,母亲就教育她要拥有远大的理想。从那时起,成为科学家的梦想就像一颗种子埋在了余彦的心里。

勇于勤奋探索  将“不服输”装入“科研行囊”

“化学改变世界”,让余彦在大学时毫不犹豫地选择了应用化学专业。一次偶然的机会,余彦接触了材料化学领域。她发现,先进材料是高新技术产业发展的基石,在工程、信息、新能源等各领域都有广泛应用。然而,我国在先进材料发展上存在“卡脖子”的基础性难题。“期待在这个关键领域能发挥特长、贡献绵薄之力”的雄心,让余彦决心致力于材料化学领域的探索。

2002年,余彦考入中国科大,跟随导师陈春华教授攻读硕士研究生。从那时起,她与二次电池研究结下了不解之缘。余彦充满期待,“二次电池的发展与社会经济发展息息相关,可以为美好生活‘充电’”。

科研的道路漫长而又艰辛。读研究生时,有一次,余彦合成的样品必须在凌晨4点左右从实验炉中取出,当余彦去实验室取样品的时候,发现导师陈春华已经到实验室开始一天的工作了。这件事深深触动了余彦,“成功不是偶然的,必须经过艰辛的努力才能获得,勤奋、专注和顽强是科研‘行囊’中必不可少的装备”。

在德国马普固体所做博后时,余彦在实验中使用共轴静电纺丝方法制备一种核/壳结构的纳米线,在尝试了3个月后,都没有得到想要的结果。面对失败,余彦也有过想要放弃的念头。但“不服输”的性格让余彦坚持了下来,她通过查阅文献、逐步修订实验方案,终获成功。“做科研就像长跑,想赢得比赛,要孜孜以求、久久为功”。

2012年,余彦回到母校中国科大任教。在研究生培养上,余彦因材施教,采用导师指定课题与自由探索课题相结合的方法:对于刚入学的研究生,指定研究课题和方向,让学生逐步进入研究正轨;对于已经摸清门道的高年级研究生,更注重培养他们独立科研的能力,鼓励他们去尝试一些具有挑战性的新课题。对余彦来说,科研带来的最大乐趣是不断战胜挑战;而作为老师,能桃李天下、青胜于蓝,是莫大的成就。

(新闻中心)

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