王兆昱　孟凌霄

將長(zhǎng)達(dá)50頁(yè)的回復(fù)信發(fā)給《自然》審稿人時(shí)，袁欣彤從未想過(guò)，自己的論文最后會(huì)登上《自然》封面。

這個(gè)直爽開朗的山東姑娘目前在美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）讀博士三年級(jí)，而她的導(dǎo)師、該校工程學(xué)院化學(xué)工程系助理教授李煜章，同樣是一名“90后”。

“失敗是成功之母”，在袁欣彤看來(lái)，這篇“成功”論文的最大價(jià)值，反而在于良好地展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中“失敗”的部分。這是她在整個(gè)研究過(guò)程中最大的收獲。

這篇登上《自然》封面的論文，題為《獨(dú)立于SEI形成的多面體鋰的快速沉積》，主要圍繞鋰金屬電池展開相關(guān)研究。

你可能聽說(shuō)過(guò)鋰電池，手機(jī)和電動(dòng)車使用的便是鋰離子電池，它通過(guò)鋰離子嵌入式插層進(jìn)入石墨電極的方式儲(chǔ)能。而另一種與鋰有關(guān)的電池是鋰金屬電池，它通過(guò)將鋰離子電沉積還原為鋰金屬來(lái)儲(chǔ)能，內(nèi)含大量金屬態(tài)的鋰。

鋰金屬電池理論容量大、能量密度高，具有很好的開發(fā)前景。然而，鋰金屬電池目前仍處于研發(fā)初期，存在循環(huán)壽命短、安全性差的問(wèn)題。而這些問(wèn)題出現(xiàn)的一大原因在于不可控的鋰金屬沉積行為。

在論文通訊作者李煜章的帶領(lǐng)下，袁欣彤將冷凍電鏡技術(shù)應(yīng)用于這項(xiàng)研究。

在生命科學(xué)界大名鼎鼎的冷凍電鏡技術(shù)，于2017年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。也是在那一年，李煜章及其博士時(shí)期的導(dǎo)師、美國(guó)斯坦福大學(xué)教授崔屹開拓性地將冷凍電鏡技術(shù)應(yīng)用到了材料科學(xué)領(lǐng)域，并首次獲得了鋰枝晶的原子級(jí)結(jié)構(gòu)圖像。

在這項(xiàng)新研究中，如何解決鋰金屬的電沉積問(wèn)題，成了袁欣彤和李煜章心心念念的事。

一次在顯微鏡前觀測(cè)時(shí)，一個(gè)大膽的想法出現(xiàn)在他們的腦海中：如果將鋰金屬的沉積與SEI的形成分開，也許能更好地了解鋰金屬的沉積過(guò)程。

隨后，袁欣彤使用超微電極進(jìn)行鋰金屬的快速沉積，使其掙脫了SEI的束縛。課題組驚訝地發(fā)現(xiàn)，鋰沉積統(tǒng)一形成了均勻的菱形十二面體。袁欣彤知道，比起之前“不可控的枝晶”，這種穩(wěn)定的沉積有望帶來(lái)均勻的脫附，從而達(dá)到優(yōu)良的循環(huán)性能。

“這是一個(gè)反常識(shí)的發(fā)現(xiàn)，但它符合上世紀(jì)經(jīng)典晶體學(xué)理論對(duì)鋰作為體心立方晶胞結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)?！痹劳嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，一開始，她以為“完美的菱形十二面體”是偶然現(xiàn)象。但在嘗試了幾種不同的電解液和集流體基底后，出現(xiàn)在顯微鏡下的圖像依然是完美的菱形十二面體，也就是說(shuō)這種現(xiàn)象與電解液化學(xué)和集流體基底性質(zhì)無(wú)關(guān)，具有普適性。

這一發(fā)現(xiàn)不僅顛覆了鋰金屬沉積的傳統(tǒng)觀念，更為鋰電池的性能提升開辟了新范式。

這篇論文作者有4個(gè)。第一作者袁欣彤完成了本文的所有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作、數(shù)據(jù)分析和論文撰寫；袁欣彤的師妹兼室友、博士二年級(jí)學(xué)生劉博，則完成了多物理場(chǎng)仿真模擬和分析；該校電鏡中心負(fù)責(zé)人Matthew Mecklenburg博士，在成像分析上給出諸多建議；李煜章監(jiān)督、指導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和論文撰寫。

袁欣彤介紹，她所在的李煜章實(shí)驗(yàn)室以“小而精”著稱。2020年7月，不到30歲的李煜章來(lái)到UCLA擔(dān)任獨(dú)立PI，如今的課題組只有6名博士生、1名博士后和幾名剛畢業(yè)的碩士，而作為李煜章第一批入學(xué)的博士生，袁欣彤成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的“大師姐”。

師徒倆相遇于2019年除夕。當(dāng)時(shí)，袁欣彤是天津大學(xué)教授鞏金龍團(tuán)隊(duì)的一名碩士研究生。在她的博士申請(qǐng)季，第一封offer就來(lái)自即將在UCLA建立實(shí)驗(yàn)室的李煜章。袁欣彤按捺不住心中的興奮：電化學(xué)、電池正是她最喜歡的研究方向之一，而李煜章更是冷凍電鏡應(yīng)用與材料學(xué)的專家。

彼時(shí)，李煜章已確定在次年加入U(xiǎn)CLA，但還未正式建立實(shí)驗(yàn)室，也沒有帶過(guò)博士生，袁欣彤甚至不能找到師門直系“取經(jīng)”。但在專業(yè)方向的吸引下，袁欣彤毫不猶豫地接受了offer。

作為組內(nèi)的“大師姐”，袁欣彤見證了實(shí)驗(yàn)室的搭建過(guò)程。剛起步時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備、資金都有缺口，而鋰電池實(shí)驗(yàn)所需的電解液常?！皫装俚堵牪灰婍憽?。這時(shí)，李煜章總是派出“得力干將”袁欣彤，向其他實(shí)驗(yàn)室借實(shí)驗(yàn)儀器、試劑等，并美其名曰“鍛煉你的溝通技巧”。

“我們組雖然窮，但窮且益堅(jiān)?！痹劳Φ?，“導(dǎo)師總會(huì)以另一種方式補(bǔ)償我們?！眲?cè)雽W(xué)時(shí)，袁欣彤從未上手過(guò)冷凍電鏡技術(shù)，李煜章便連著兩三個(gè)月教她拍攝、保存、處理數(shù)據(jù)。

除了好的導(dǎo)師外，好的搭檔也必不可少。本文的另一位作者劉博是袁欣彤的師妹兼室友，也是她日常相處中最好的朋友。在論文合作過(guò)程中，無(wú)論遇到什么樣的問(wèn)題，她們都會(huì)與對(duì)方交流。她們都喜歡脫口秀，喜歡互相講段子?！拔覀儌z經(jīng)常把讀博期間的各種事編成段子，講出來(lái)就哈哈大笑。她笑稱我有當(dāng)脫口秀演員的潛質(zhì)，也是最懂我的梗的觀眾?！痹劳f(shuō)。

如今，袁欣彤繼續(xù)在做鋰金屬電池領(lǐng)域的研究。她說(shuō)，過(guò)去這項(xiàng)工作對(duì)自己來(lái)說(shuō)是一個(gè)“驚喜”，得益于在人生關(guān)鍵時(shí)刻出現(xiàn)的良師益友。在未來(lái)的科研道路上，她不會(huì)拒絕任何一種可能性。