編譯 蔡立英

埃斯特·竹內(nèi)（Esther Takeuchi）因研制心臟除顫器電池而廣受國際認(rèn)可，這種心臟除顫器每年可挽救成千上萬名患者的生命。埃斯特·竹內(nèi)同時(shí)受聘于美國紐約州立大學(xué)石溪分校和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，是一位富有創(chuàng)造力的發(fā)明家，擁有150多項(xiàng)專利。她榮獲了2019 年Sigma Xi協(xié)會(huì)沃爾斯頓·丘布創(chuàng)新獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)自2006年設(shè)立，每年頒發(fā)一次，以前的獲獎(jiǎng)?wù)甙üこ處煱⒖撕杖R什·拉克赫塔基亞（Akhlesh Lakhtakia）、計(jì)算機(jī)科學(xué)家羅莎琳德·皮卡德（Rosalind W. Picard）和材料科學(xué)家斯坦·奧夫辛斯基（Stan Ovshinsky）等人。美國科學(xué)家羅伯特·弗雷德里克（Robert Frederick）與竹內(nèi)暢談了電池發(fā)展的未來以及為實(shí)現(xiàn)這些發(fā)展而開展的合作，包括竹內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的三名學(xué)術(shù)帶頭人匯集資源和專業(yè)知識(shí)，創(chuàng)造了研究生教育和科學(xué)研究融合發(fā)展的新模式。

植入式電池有哪些創(chuàng)新是其他電池類型沒有的？

今天，我們所熟悉的最主要的電池類型是手機(jī)和計(jì)算機(jī)中使用的鋰離子電池。如今，電子設(shè)備更新?lián)Q代如此迅速，以至于電池的使用壽命只須三年就足夠，因?yàn)槿藗兪褂猛豢铍娮釉O(shè)備往往不超過三年時(shí)間就喜新厭舊了。但是，新型電池應(yīng)用，例如電動(dòng)汽車，現(xiàn)在的預(yù)期電池使用壽命是10年。對(duì)于支持電網(wǎng)或與可再生能源（例如風(fēng)電場或太陽能）相連的電池，有時(shí)我們期望它們可持續(xù)使用15年或20年。受到預(yù)期壽命為5年或10年的醫(yī)用電池的一些實(shí)現(xiàn)方法的啟發(fā)，我們也許可以獲得如何延長電池使用壽命的知識(shí)。

是否有特定方法或工具將醫(yī)用電池上的研究應(yīng)用于其他電池？

我們對(duì)電池的理解，至關(guān)重要的一點(diǎn)是：通常不是活性物質(zhì)的消耗，而是某種寄生反應(yīng)導(dǎo)致電池壽命的終止。對(duì)于設(shè)計(jì)精良的電池，這些寄生反應(yīng)非常小。但是，通過使用等溫微量熱法等工具，我們可以測(cè)量電池處于活動(dòng)狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)產(chǎn)生的熱量。通過仔細(xì)分析這些熱信號(hào)，我們可以確定多少熱量是由于電池的工作或運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，而有多少是寄生熱量。正是這些寄生熱量與最終將導(dǎo)致電池終止服務(wù)或是決定電池使用壽命的這些降解反應(yīng)相關(guān)。我借鑒了多年來研究醫(yī)用電池所使用的相關(guān)方法學(xué)，才能夠洞悉這些特定的寄生反應(yīng)。但是在電池的其他領(lǐng)域，這種研究方法的用途卻不那么廣泛。

不在醫(yī)用電池應(yīng)用之外使用等溫微量熱法是出于成本考慮嗎？

可能是成本原因，也可能是速度原因。這種方法確實(shí)需要花費(fèi)一些時(shí)間才能獲得適當(dāng)?shù)臏y(cè)量結(jié)果，并且破解這些測(cè)量結(jié)果意味著什么也要花時(shí)間。例如，僅將其用作質(zhì)量控制檢查很可能會(huì)太慢。因此，與質(zhì)量控制工具相比，它實(shí)際上更是一種研究工具（用于理清電池內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)）。也許只是由于人們?nèi)狈?duì)該工具的了解，所以它才沒有得到更廣泛的使用。

回收電池材料本身就是一個(gè)科學(xué)問題，或者更多的是使回收電池材料的過程變得便宜？

電池的回收是一個(gè)非常重要的問題。今天，可有效回收的電池是鉛酸電池。但是，對(duì)于鋰離子電池等其他電池，它們實(shí)際上并沒有得到很好的回收利用，尤其是在美國，因?yàn)檫@更多的是經(jīng)濟(jì)問題。當(dāng)前的回收方法實(shí)際上基本就是將電池拆開，然后通過溶解在強(qiáng)酸中回收元素。鋰離子電池中常用的一種非常昂貴的元素，并且使經(jīng)濟(jì)方面的考量開始變得有意義的，那就是鈷的回收。

鈷的缺點(diǎn)是，它僅在地球上很少的地方能開采到，最常見的產(chǎn)地是在剛果民主共和國，并且有人對(duì)那里的開采方式提出了質(zhì)疑。因此，還需要相當(dāng)大的努力來設(shè)計(jì)鋰離子電池中鈷的回收方式。有趣的是，鈷是使電池回收在經(jīng)濟(jì)上可行的原因。因此，如果未來的鋰離子電池缺少鈷，那么再次回收單個(gè)電池組件將成為一項(xiàng)財(cái)務(wù)挑戰(zhàn)。我認(rèn)為這就是為什么考慮二次使用、再生或再利用電池變得非常重要的原因。如果僅以傳統(tǒng)方式回收——熔化或溶解電池或其他方式，在經(jīng)濟(jì)上也許是不可能的。我認(rèn)為我們必須在再利用整個(gè)電池或整個(gè)電極方面更具創(chuàng)造力，就像我們?cè)谘芯恐幸恢痹趪L試的那樣，我們已經(jīng)展示了一種可再生電極，能使整個(gè)電池循環(huán)使用壽命的持續(xù)時(shí)間更長，對(duì)環(huán)境的影響也更小。

您的實(shí)驗(yàn)室有許多并行的項(xiàng)目。您是否還想啟動(dòng)其他項(xiàng)目，但是沒有余暇或資源？

現(xiàn)在確實(shí)是投身能量存儲(chǔ)研究的非常激動(dòng)人心的時(shí)機(jī)，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷拓展。新應(yīng)用對(duì)新型電池有著巨大的需求，并且，我相信每一種新的電池技術(shù)都需要對(duì)這些問題有基本的了解——我們?cè)谀睦镞M(jìn)行研究，以掌握電池的工作原理、機(jī)制以及故障機(jī)制（這一點(diǎn)同樣重要）。電池的研究項(xiàng)目有很多，但是有一個(gè)統(tǒng)一的主題：我們?nèi)绾问闺姵厝萘孔兇?，以及需要了解和控制哪些參?shù)才能有效和高效地設(shè)計(jì)大容量電池？

我們一直專注于三個(gè)主題領(lǐng)域。第一個(gè)研究領(lǐng)域是多功能材料，這里的材料是（化學(xué)）活性材料，但它們還可以起到其他作用。例如，活性材料通常不導(dǎo)電，我們正在研發(fā)具有導(dǎo)電性的活性材料。第二個(gè)領(lǐng)域是我們正在研究（電池組件之間）的界面穩(wěn)定性。我們?nèi)绾慰刂疲娀瘜W(xué)）界面？我們?nèi)绾蝿?chuàng)造人工界面，而不僅僅是允許界面在電池內(nèi)部自發(fā)或偶然地形成？我們探究的第三個(gè)領(lǐng)域是具有確定和可控的孔隙率（影響電化學(xué)反應(yīng)速率）的電極結(jié)構(gòu)，以探查限定參數(shù)以及最終我們?nèi)绾吾槍?duì)特定應(yīng)用來確定和設(shè)計(jì)理想的電極。

盡管這些項(xiàng)目中的每一個(gè)似乎都是一個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目，但它們都是能源前沿研究中心（EFRC）研究計(jì)劃的一部分。我們的研究團(tuán)隊(duì)、合作研究人員和合作機(jī)構(gòu)所付出的努力，為推動(dòng)這些計(jì)劃向前發(fā)展發(fā)揮了重要作用。我真的將EFRC研究計(jì)劃歸功于能源部。該計(jì)劃規(guī)模足夠大，可以讓幾個(gè)學(xué)術(shù)帶頭人開展協(xié)同攻關(guān)，而這在其他情況下最終可能沒有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)。但是，EFRC計(jì)劃的規(guī)模又沒有大到無法進(jìn)行有效管理。

您的研究團(tuán)隊(duì)有多個(gè)學(xué)術(shù)帶頭人，是什么促使你們以這種方式來組織研究團(tuán)隊(duì)？

艾米·瑪施洛克（Amy Marschilok）教授和我的丈夫竹內(nèi)?。↘en Takeuchi）是我一直以來合作的兩個(gè)學(xué)術(shù)帶頭人。我們把各自的資源集中在一起，形成一個(gè)共同研究團(tuán)隊(duì)，共同指導(dǎo)學(xué)生和博士后。布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室有兩名研究人員，也是我們團(tuán)隊(duì)的成員。

通過集中資源，學(xué)生們將從中受益，他們從我們每個(gè)人這里都能獲得真正獨(dú)到的見解。竹內(nèi)健是一位廣受褒獎(jiǎng)的導(dǎo)師和富有洞見的無機(jī)化學(xué)家、合成化學(xué)家和分析化學(xué)家。艾米·瑪施洛克是高級(jí)表征和高級(jí)電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的專家。我的專長在系統(tǒng)地了解電池以及如何探測(cè)電池、如何控制電池、如何考慮下一代電池研制方面。學(xué)生們通過定期與我們交流，從不同的視角獲得我們?nèi)齻€(gè)人的觀點(diǎn)。與學(xué)生們的這種交流也使我們能夠以獨(dú)特的方式推進(jìn)我們自己的研究。

我們強(qiáng)調(diào)以合作的方式運(yùn)作我們的研究團(tuán)隊(duì)，學(xué)生之間也可以相互合作。我們將大學(xué)的研究項(xiàng)目與國家實(shí)驗(yàn)室的研究項(xiàng)目整合在一起，還將工業(yè)界支持的研究項(xiàng)目也納入其中。了解這些不同的環(huán)境如何運(yùn)作，可以使我們的學(xué)生和博士后獲得獨(dú)特的見解，以推進(jìn)他們自己的研究領(lǐng)域，并能朝著對(duì)他們有意義的方向追求其科研事業(yè)。因?yàn)榱私饬藞F(tuán)隊(duì)科研的概念，所以他們可以為職業(yè)生涯做好充分準(zhǔn)備。這就是科學(xué)的未來。這就是將來解決大的科學(xué)問題的方式。我們正在超越“一個(gè)學(xué)生、一個(gè)項(xiàng)目、一個(gè)學(xué)術(shù)帶頭人”這種傳統(tǒng)科研方法，創(chuàng)造研究生教育和科學(xué)研究融合發(fā)展的新模式。

我認(rèn)為在科研的多樣性和包容性方面也正在取得進(jìn)展。我記得，當(dāng)我在工業(yè)界開始我的職業(yè)生涯時(shí)，曾參加過各種技術(shù)會(huì)議，見到會(huì)議室里的女性人數(shù)非常有限。我們正在取得進(jìn)步，我堅(jiān)信進(jìn)步至關(guān)重要，這不僅是因?yàn)檫@樣做在道德上是正確的，而且因?yàn)槲覀冃枰屪钣胁湃A的人做出貢獻(xiàn)。我們的社會(huì)面臨著重大問題和挑戰(zhàn)。我們不想僅僅因?yàn)樯矸莼虮尘?，就隨意排除能作貢獻(xiàn)的人。

我認(rèn)為每個(gè)人都可能拿著拼圖。我們?cè)噲D解決的問題是一個(gè)很大的難題，因此我們需要每個(gè)準(zhǔn)備就緒并參與其中的人來表達(dá)自己的觀點(diǎn)，以便最終揭示我們所需的答案。如果我們將人拒之門外，不鼓勵(lì)或支持那些有才干的人在自己有能力的領(lǐng)域孜孜以求，那么將需要更長的時(shí)間來填補(bǔ)這些難題并獲得答案。因此，我非常贊成培養(yǎng)和鼓勵(lì)人們發(fā)揮自己的才能和特殊天賦，使他們能夠參與并為整個(gè)社會(huì)做出貢獻(xiàn)。