10月18日，90后學(xué)者、密西根州立大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)系助理教授、浙大校友方成成擔(dān)任共同一作及共同通訊作者，在Nature Energy發(fā)表論文，該研究的最重要成果，是通過給電池施加合適的壓力，實(shí)現(xiàn)了鋰金屬生長的完全可控。
“論文正式發(fā)表之前，研究成果就已通過預(yù)印公開，很快就有工業(yè)界人士表示，使用我們的研究結(jié)論，讓其產(chǎn)品得到了非常好的性能。此次成果將會被廣泛應(yīng)用到軟包鋰金屬電池里?！闭撐倪€未發(fā)表，業(yè)界已經(jīng)一片叫好，但方成成認(rèn)為其中也有新能源汽車“東風(fēng)正盛”的原因。
方成成，密西根州立大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)系助理教授。2012年本科畢業(yè)于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)。2015年畢業(yè)于香港科技大學(xué)獲哲學(xué)碩士學(xué)位。2019年畢業(yè)于加州大學(xué)圣地亞哥分校獲材料學(xué)博士學(xué)位。
研究方向為下一代高能量密度鋰離子，鋰金屬電池體系，研究范圍包括從原子尺度對正負(fù)極材料的觀測與理解，到宏觀尺度對電池的失效分析和性能優(yōu)化。
從本科畢設(shè)開始的十年鋰電池研究
方成成生于1990年，今年31歲，成長于湖南省岳陽市華容縣，本科就讀于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。讀本科時，她剛好趕上了智能手機(jī)的興起，智能手機(jī)對老式手機(jī)的取代，讓她看到電池技術(shù)的重要。她選擇參與趙新兵教授課題組鋰離子電池相關(guān)的研究作為畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容。
本科畢業(yè)后，她在香港科技大學(xué)陳國華教授的指導(dǎo)下開始攻讀哲學(xué)碩士學(xué)位。研究課題依然圍繞新型鋰離子電池材料展開。2019年，她在加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）獲得材料學(xué)博士學(xué)位，師從孟穎（Shirley Meng）教授。博士畢業(yè)后，她留組進(jìn)行了短暫的博士后研究，以完成此次論文。
在博士和博后期間，她的研究工作均在美國能源部電池500聯(lián)盟（battery500 consortium）的資助下完成的。電池500聯(lián)盟是美國能源部電池研究的旗艦項目，由西北太平洋國家實(shí)驗室領(lǐng)導(dǎo)，由包括UCSD在內(nèi)的九個美國國家實(shí)驗室和大學(xué)成員組成，目標(biāo)是研發(fā)電池整體能量密度到達(dá)500Wh/kg的鋰金屬電池，以用于下一代電動車。2019年的諾貝爾化學(xué)獎得主Dr. John B. Goodenough 和Dr. M. Stanley Whittingham都是這個聯(lián)盟的成員。
“博士期間，能有機(jī)會和領(lǐng)域內(nèi)最頂尖的科學(xué)家們一起工作，對我來說是特別大的鼓舞和激勵?！狈匠沙杀硎?，自己作為表征組的核心成員，完成了本文提及的兩篇論文，目的都是為了解決鋰金屬在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題而展開的最基礎(chǔ)的材料科學(xué)研究。
從本科畢業(yè)設(shè)計的論文開始，她一直致力于鋰電池材料的研究，至今已有整整十年。如今，她將繼續(xù)帶領(lǐng)自己的課題組，致力于開發(fā)新型電池材料和制造方法的研究。
解決了困擾整個領(lǐng)域長久的兩個問題
鋰金屬電池能提供兩倍于鋰離子電池的整體容量。實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池技術(shù)的瓶頸之一，在于如何安全高效地使用金屬鋰作為負(fù)極。在電池充電過程中，鋰金屬負(fù)極極易生成鋰枝晶，如果枝晶刺穿隔膜，則會導(dǎo)致電池短路，發(fā)生安全事故；在電池放電過程中，鋰金屬負(fù)極又會形成死鋰，從而消耗電池里有限的鋰源，導(dǎo)致電池容量快速衰減，最終無法提供理想的循環(huán)壽命。
因此，如何控制鋰枝晶的生長，如何得到致密的電化學(xué)沉積的鋰負(fù)極， 以及如何提高鋰金屬在充放電過程中的可逆性，從而減少甚至消除死鋰的生成，一直是領(lǐng)域內(nèi)的努力目標(biāo)。
在此次工作中，方成成等人通過控制電池壓力，在電池里通過電化學(xué)沉積得到的致密鋰金屬，幾乎達(dá)到鋰金屬的理論密度，完全消除了枝晶的生長。進(jìn)一步地，他們還提出了抑制死鋰生成的方案，讓電池在進(jìn)行長時間循環(huán)之后依然能保持致密的鋰金屬負(fù)極，借此解決了長久以來困擾整個領(lǐng)域的鋰枝晶生長和死鋰生成的問題。
尤其是他們還發(fā)現(xiàn)即使使用比較大的充放電電流、或者進(jìn)行低溫充放，這時通過壓力控制，依然能得到非常致密的鋰沉積，這意味著鋰金屬電池也能進(jìn)行快充和低溫應(yīng)用，而這顛覆了業(yè)界之前普遍認(rèn)為鋰金屬用做快充會產(chǎn)生枝晶的認(rèn)知。如果能通過合適的工程方法，把這種壓力控制應(yīng)用到鋰金屬電池組的設(shè)計上，將會大大助力鋰金屬電池的安全商用化進(jìn)程。
出于好奇設(shè)計了可調(diào)節(jié)壓力的電池
方成成說，最初的想法來源于相關(guān)實(shí)驗經(jīng)驗。作為一種常用的鋰金屬負(fù)極效率研究的測試電池，Li-Cu扣式電池在安裝過程中，增加一個墊片就能讓電池內(nèi)部壓得更緊，從而得到更好的循環(huán)效率。
最近兩年，陸續(xù)有論文報道通過施加壓力，即可給鋰金屬電池帶來更好的性能。但很少有學(xué)者對壓力在鋰金屬沉積和溶解過程中的機(jī)理，進(jìn)行系統(tǒng)性研究。出于好奇，她和作者們設(shè)計了一個可調(diào)節(jié)壓力的電池裝置，并加上壓力傳感器，目的是想成體系地定量研究，鋰金屬的循環(huán)效率是如何被壓力改善的。
實(shí)驗很簡單，首先在不同壓力下進(jìn)行鋰金屬電化學(xué)沉積，實(shí)際上這對應(yīng)的是電池中的充電過程，接著再對這些沉積的鋰金屬樣品進(jìn)行橫截面形貌分析。然后她發(fā)現(xiàn)，在壓力一步步優(yōu)化的過程中，鋰金屬在電化學(xué)沉積過程中的生長方向，可以被壓力改變，借此可在最優(yōu)條件下形成完美、且致密的柱狀結(jié)構(gòu)。最優(yōu)壓力大約為350 kPa，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋰金屬244 MPa的屈服強(qiáng)度，這表明鋰金屬并不是在壓力作用下發(fā)生的變形，也意味著只需三到四個大氣壓壓力，即可在工業(yè)上有效控制鋰金屬的致密生長。
多年積累，有望讓電子設(shè)備續(xù)航更長
