历时8年，历经100多次实验失败后，孟颖团队终于成功研发出全球首个无负极钠固态电池。
在此之前，钠电池、固态电池和无负极电池都已经出现，但没有人能够成功地将这三种想法结合起来。这种新型电池结构稳定、安全性高，可循环数百次，并且具备环保、低成本的优点，为未来电池技术的发展开辟了新的路径。
相关成果日前已发表在Nature Energy。论文通讯作者孟颖（Ying Shirley Meng）是美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程教授；美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）博士后研究员Jihyun Jang同为该论文的通讯作者；UCSD博士生Grayson Deysher为该论文的第一作者。
Nature Energy论文
孟颖专注于材料科学研究已有26年，发表了300多篇科学论文，并拥有10多项专利。她告诉《中国科学报》：“论文和专利都是副产品，培养出优秀的学生自然会有好的研究成果。对我而言，学生的成长与成功，才是我保持科研热情的最大动力。”
孟颖
“科研没有捷径”
2016年，正值电池技术蓬勃发展的阶段。当时还在UCSD纳米工程学院任副教授的孟颖，获得了美国国家科学基金会（NSF）的资助，开启了这项开创性课题，研究无负极钠固态电池。
如今广泛应用的锂离子电池，其实有一些固有短板，如资源稀缺，开采过程容易造成环境污染等。这导致其生产和应用受限，成本居高不下。相比之下，钠资源更加丰富且成本低廉，有望实现更经济的电池解决方案，成为了电池技术未来发展的重要方向。
然而，制造出与锂电池能量密度相同的钠电池绝非易事，需要克服材料和技术方面的诸多挑战。其中，寻找适用于钠固态电池的负极是一个难以解决的问题。
“尽管有许多同行进行了多种负极材料的尝试，但效果均不尽如人意。我们就想到，如果能采用无负极（anode-less）的概念，可能会是一种有效的解决方案。”孟颖说。
无负极电池具有重量轻、体积小和成本低的优点。由于其电池结构只有一个金属正极，当电池充电时，金属离子从正极迁移到集电器并沉积。在电池放电时，集电器会临时充当负极的角色，使其能够以与金属离子电池类似的方式放电。
然而，无负极电池的研发难点同样突出，就是如何实现电解质和集电器之间的良好接触。使用液体电解质时，这通常非常容易，因为液体可以流动到各处并润湿每个表面，但是固体电解质无法做到这一点。
为此，孟颖团队确立了4个关键设计原则：电化学稳定的电解质、固体电解质和集电器之间紧密而牢固的固-固界面接触、致密的固态电解质隔膜，以及致密集电器。
无负极示意图和能量密度计算
遵循这些设计原则寻找适合的材料，是一项非常复杂、耗时，且成本极其昂贵的研究工作。
“科研没有捷径。由于没有现成的固态电解质材料、正极材料和隔膜，每一个步骤所需的材料都需要我们自己制作，整个实验极具挑战性。”孟颖说。
为了制造出电解质和集电器之间具有完整界面连接的全固态电池，研究团队在经历100多次实验失败后，开发了一种包围电解质的集电器。他们采用具有类似液体流动性的固体铝粉，代替传统金属铝箔构建集电器。在电池组装过程中，当铝粉沉积并覆盖电解质时，会在高压下致密化，从而形成一个固体集电器，它能够与电解质保持液体般的紧密接触。
此外，研究团队发现了一种电化学性能稳定的固体电解质——硼氢化钠（NBH）。它可与颗粒状铝集电器实现近乎完美的接触。这也是研究团队能够成功研发无负极钠固态电池的关键之一。
硼氢化钠形态评估
尽管硼氢化钠很贵，每50克需要花费2000多美元，孟颖还是选择“下血本”，为团队提供足够的资源完成实验。因为她十分清楚：“科研工作非常耗费资源，每一篇好文章的背后都是巨大的人力、时间和金钱的投入。为了完成这项研究工作，咬咬牙我们也要做。”
2023年11月1日，研究团队投稿给Nature Energy编辑部，论文于2024年7月4日被顺利接收。
8年长跑终于到达一个里程碑。孟颖说：“科研工作如同马拉松，需要长期的投入和坚持。”她表示，要将电池技术的研究成果转化为实际应用产品，还需要进一步的工作，“我们只是刚刚开始，要走的路还很长”。
解决难题需要一些疯狂的点子
孟颖自2008年起一直专注于钠电池研究，在该领域积累了丰富的知识、经验与技术。在她看来，长期的科研积累为整个研究工作奠定了成功的基石，其成功的最大秘诀在于多元化的团队构成和协作方式。
“我非常重视多元化。因此，在组建研究团队时，会将不同文化、国籍，以及不同专业背景和研究经验的成员放在同一小组中，共同解决一个重要的问题。”孟颖说。
这项研究的团队成员大多来自孟颖课题组。例如，论文第一作者Grayson，他在加入孟颖的课题组之前，主要从事二维材料研究，从未接受过正规的电化学训练；共同通讯作者、孟颖课题组博士后研究员Jihyun Jang曾在三星研发部门工作多年，拥有丰富的工业研发经验。此外，该研究团队还吸纳了工业界回流学者，以及非材料科学背景的科研人员。
“解决科研难题需要一些疯狂的点子。”孟颖告诉《中国科学报》。在她看来，那些没有电池研究经验的成员，因为不清楚困难的程度，反而更勇敢地去尝试新事物，往往能够提出大胆、独特的想法，这对于解决科研难题时更有益；拥有其他科研背景的团队成员在面对困难时，相比长期从事电池研究的科研人员，其剖析问题和解决问题的方式和方法更新奇。
孟颖指出，无负极钠固态电池不仅是一项跨学科研究，也是学术研究和工业实践的结合。
在她的团队中，近一半的博士后拥有在工业界工作的经验。他们在解决电池相关的实际问题和技术应用方面积累了丰富的经验，这些经验为无负极钠固态电池的开发提供了重要的启发和实践指导。
“博士训练是一个非常漫长和艰辛的过程。我的研究团队非常欢迎从工业界回归学术界的研究人员，这些学生经历过生活和工作的挑战，非常清楚自己想要什么。这使他们在研究中很少出现迷茫或失落的情况，也不容易在方向上产生困惑。”孟颖补充道。
多元化的构成，使得孟颖的团队在解决科研难题时能够独辟蹊径，并采用创新方法。不同背景的成员互相配合，产生了奇妙的效果，共同促成了无负极钠固态电池的成功开发。
对数据负责，是非常重要的事情
孟颖出生在杭州，后到新加坡南洋理工大学攻读本科。她科研生涯中第一个“Wow moment”，就是在这里发生的。
在本科学习的后两年，孟颖参与了陶瓷超导材料研究。当她成功制备出具备超导性能的材料，并目睹磁悬浮现象的那一刻，她感到全身的汗毛都竖了起来，“那种震撼，简直难以用言语形容，就像是亲眼目睹了奇迹的发生”。
材料科学的神奇与魅力，一下锁住了她研究材料科学的心。
2000年本科毕业后，孟颖成为了美国麻省理工学院（MIT）最大国际研究计划——新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）项目的博士生，师从美国国家工程院院士Gerbrand Ceder。她的第一个博士研究课题是使用第一性原理计算设计新型电池材料，以完全取代钴。在这项最新发表的研究中，孟颖团队也是使用第一性原理计算的密度泛函理论（DFT），找到了具有高离子导电率的钠离子导体材料。
2005年博士毕业后，孟颖来到MIT继续博士后研究。此后的十几年里，她辗转多所美国知名高校和科研机构，逐渐成长为材料科学领域的著名科学家。
时至今日，孟颖已经在科研道路上走过了26年。尽管生活和职业生涯发生了诸多变化，但是她对材料科学研究的热爱和坚持始终未变。
孟颖坦言，她的科研态度和理念深受2位著名科学家的影响——2019年诺贝尔化学奖得主、英裔美国化学家Michael Stanley Whittingham，以及大英帝国爵级司令勋章（DBE）的获得者、英国剑桥大学教授Clare Grey。
孟颖2008年在佛罗里达大学担任助理教授时，开始与Michael Stanley Whittingham合作。后者自20世纪70年代起从事锂电池研究，直到2019年才获得诺贝尔奖的认可。“Whittingham非常享受教授的工作，乐于创造知识。尽管他的工作曾长期未被认可，但是他从未感到不满或抱怨，并且始终支持年轻研究者，即使在获得诺贝尔奖后也未改变，这对我影响很大。”孟颖说。
通过科学研究为社会和人类带来积极的改变，这是孟颖做科研的初心。同为女性科研工作者，Clare Grey强调科学家要坚守初心，专注于科学研究，而不是行政角色。孟颖正是受她影响，始终坚守在科研前线。
作为导师，孟颖的教学风格一向以严格著称。她重视原创研究，经常向学生提出一些看似不可能完成的要求，往往是超出预期实验目标的挑战。
“有时，学生会和我抱怨，认为我提出的要求太困难。我会告诉他们，‘你一定要做出来，不然不能毕业’。”孟颖说。电池是一个非常“内卷”的研究领域，严厉的教学不仅确保了研究质量，也让学生在竞争激烈的领域中脱颖而出。
此外，在任何研究发表前，孟颖经常要求第一作者以外的团队成员复现实验数据，并签署《谅解备忘录》（MOU，一种表达双方意向和共识的文件），只有在确认数据的可靠性后，才会考虑发表论文。
“对数据负责是非常重要的事情，我认为科学家必须有自己的伦理底线。科学研究应该有坚实的数据支持，而不是个人观点。”孟颖说。
在对学生严格要求的同时，她同样重视学生的全面发展，鼓励他们参加社交活动，培养运动、音乐等兴趣爱好，在学术以外的领域追求平衡和成长。孟颖认为：“科研的意义在于改善人们的生活，如果科学家自身都没有良好的生活质量，又如何帮助他人改善生活。”
每过3到5年，孟颖课题组的成员会“更新迭代”。作为导师，她享受与这些来自世界各地、科研背景各异的年轻人互动，并努力挖掘他们的潜力，帮助其在科研道路上取得成功。孟颖常对学生说，他们在攻读博士学位的过程中，其实是在建立自己的事业，而不是仅仅为了拿一份工资。
如今，她已经指导了超过40名博士生和30名博士后，并与其中大多数人保持紧密联系。当看到自己的学生取得成功，甚至比她更加富有时，孟颖感到无比的骄傲。这也成为了她在面对科研中的挑战和压力时，保持积极心态前行的最大动力。
论文链接
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01569-9
*本文图片均为受访者提供
编辑 | 方圆
排版 | 郭刚
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