孫少瑞：積跬步而至千里

本刊記者 閆冬雪

孫少瑞：積跬步而至千里

本刊記者 閆冬雪

北京工業大學副研究員孫少瑞

二十一世紀，人類被網絡和高科技包裹著，足不出戶就能對天下事了如指掌。手拿一部手機，輕松穿行于街市人潮，衣食住行都能用它輕松搞定。眾所周知，手機、電腦等高科技電子產品離不開鋰/鈉離子電池，它們在為這些高科技產品提供著必須的電能。

人們每天都在享受著它們帶來的便利但卻很少去關注其背后的一系列問題，如它是用什么材料制成的，是應用了何種機理，它對環境會產生什么樣的影響等。這一切在北京工業大學環境與能源學院化學化工系孫少瑞副研究員所做的科研探索中，我們將會找到答案。

以尋找環境友好、資源豐富的材料為初心

鋰離子電池廣泛應用于各種移動通訊設備，便攜式電動工具，應急電源等系統中，是一種非常重要的電能存儲介質，而鈉離子電池是重要的新一代二次電池，它們都被廣泛應用到我們的生活中。

從大規模儲能的應用需求來看，理想的二次電池除具有適宜的電化學性能外，還必須兼顧資源豐富、價格廉價等社會經濟效益指標。電極材料是制約鋰/鈉離子電池性能和成本的關鍵部分，但面對大量被廣泛研究使用的無機電極材料，它浪費稀有資源以及回收過程污染環境的弊端也在漸漸顯露。

礦產資源是重要的非可再生自然資源，是國家經濟建設的基礎物質材料，關系到國民經濟長期穩定發展和國家安全。據統計，我國90%以上的能源、80%以上的工業原料、70%以上的農業生產原料都來自礦產資源。目前，我國已發現171種礦產，探明有儲量的礦產168種，已探明礦產資源儲量潛在價值約占世界礦產總價值的14.6%，居世界第3位。然而，我國礦產資源人均占有量僅為世界人均占有量的58%，列世界第53位。面對國民經濟建設的巨大需求，我國礦產資源儲量嚴重不足。為了緩解我國礦產資源需求和環境壓力，礦產資源高效清潔利用成為亟需發展的重要技術方向。所以，尋找元素資源豐富，成本低，成產過程低能耗、易回收，環境友好的有機電極材料迫在眉睫。

目前，已有很多有機電極材料被發現，但因為該類材料倍率性能差、能量衰減快的明顯缺點，使之距離實際應用還有很遠的距離。

孫少瑞及其團隊就針對這一難題展開了深入細致的研究。考慮到有機電極材料種類與結構多樣化的特點，他們創新性的在研究中納入多個不同材料體系，對材料的充放電機制，鋰/鈉離子擴散機制、電荷（電子和空穴）遷移和結構相變機制，以及材料的穩定性開展了系統性的理論模擬和實驗研究。通過對這些不同材料的比較研究，以及從微觀結構的層面分析這些材料的共性和特性，為預測新型高效的材料和改善現有材料性能提供了理論依據。

騏驥一躍，不能十步；駑馬十駕，功在不舍。而科研工作更是需要這種堅持不懈的精神。在尋找有機電極材料之路上，孫少瑞和他的研究團隊就在嚴格恪守著這種精神品質，始終如一。據研究顯示：有機電極材料種類和結構具有多樣性、對材料實施改性的實驗方法也有很多。生活中的普遍使用以及各類實驗現象都在表明著該類材料具備較強的電子導電能力，所以無可厚非，它們潛力是可以無限挖掘的。事實上，經過科學家們的努力以及大量改性方法的使用，的確在一定程度上改善了有機電極材料的缺陷，但孫少瑞心里清楚距離真正解決有機電極材料倍率性能差和容量衰減快這兩個問題依舊任重而道遠，他們還需要朝著這個目標繼續前行。

學無止境，科學探索亦是無涯的。雖然科研工作者們進行了許多的嘗試，但所有的結果都在表明著：有機電極材料體系的工作機理異常復雜。究其原因有二，首先該類材料的儲鋰/鈉機理復雜，其次相界面動力學過程復雜，研究這些都要輔助以大量的數據分析并加以實驗，其研究的復雜性也就可想而知了。

經過科學家們不斷地計算與實驗，現在的高效理論方法和高性能計算技術為精確模擬上述問題提供了可能。通過模擬不同材料的儲鋰/鈉過程和不同相界面上的反應過程，可以將實際實驗轉化為虛擬實驗，進而找出各種體系發生變化的共性問題和關鍵性要素，以探索改善材料倍率性能和循環穩定性。有了方法的支撐，孫少瑞及其團隊在這條科研路上行走的似乎更有底氣。

目前，孫少瑞及其團隊對于有機電極材料的理論研究工作已經有所開展，并漸漸步入軌道。眾所周知，對于有機電極材料的理論研究比較普遍的方法是從單分子的角度，這種方法的優勢是比較簡單，易于操作。但不得不讓研究者們引起重視的是，這種方法忽略了分子與分子間的相互作用，也忽略了鋰/鈉離子與其他分子的相互作用，不能準確的計算嵌鋰/鈉電勢，所以弊端也是顯而易見的。

孫少瑞與其研究小組將有機電極材料的模擬范圍擴展到有機分子晶體體系，利用色散力修正的密度泛函理論分別研究了多種分子晶體的鋰離子嵌入脫出機理，理論計算出的電勢平臺與實驗測量值接近，最近的理論結果也表明了將雜化泛函和色散力修正方法結合起來可以將理論方法的計算誤差減小到5%以內。另外，晶體結構模擬的結果也顯示，鋰離子位于相鄰的有機分子之間的空隙里，每個鋰離子與相鄰的氧（氮）原子形成豐富的配位結構，并進一步形成一維的鏈狀結構和二維的網狀結構。在這些工作的基礎上構建了針對有機電極材料的高通量篩選方法，能夠快速的從現有的數以百萬計的有機分子材料中篩選出潛在的電極材料。這些研究成果也給接下來更深入的科研帶來了新的契機。

克服一切困難，尋找有機電極材料

前途是光明的，道路是曲折的。這個理論適用于哲學，也適用于科研工作。孫少瑞和他的伙伴們在科研道路上所歷經的心路歷程，也許只有他們自己才能體會得更為深刻。但在科研世界里遨游，在數據分析和試驗中發現真理，他們也是累并快樂著。

業精于勤荒于嬉，科學研究更是一個嚴謹求索的過程。目前，孫少瑞及其團隊成員所做的理論工作雖然能夠準確的預測有機小分子晶體材料的嵌鋰/鈉電勢，但對聚合物電極材料以及各種相關無定形結構的研究，對材料儲鋰/鈉過程結構相變，鋰/鈉離子擴散，電荷傳輸等動力學過程等各種方面的研究仍然是缺乏的。所以，對于有機電極材料的研究，他們仍有大量的研究工作需要開展。

集中精力解決主要矛盾。在孫少瑞及其團隊的研究中，就對有機電極材料的界面問題開展了系統性的研究，包括界面附近的結構重構過程，材料溶解過程，鋰/鈉離子擴散過程和電荷遷移過程等。相信通過接下來研究的步步開展，他們必定會對有機電極材料界面上所發生的動力學過程進行更為深入的理解，從而為發掘新的有機電極材料和設計新的電極結構提供理論依據。當然這也意味著：接下來他們要付出更多的辛苦，迎接更多的挑戰。

其實，一直以來他們都在致力于“新型鋰離子電池電極材料和燃料電池催化劑的設計合成與機理方面的研究”，在科研方面也取得了很多優異的成果。除卻剛才所說的對“有機鋰/鈉離子電池電極材料的研究”，他們在“新型質子交換膜燃料電池催化劑研究”以及“新型鋰離子電池正極材料研究”上也頗有建樹。當然，這一切都與之對科研工作的無限熱愛與執著是分不開的。

2016年，孫少瑞所引領的團隊在該研究領域所研究的課題“二次電池有機電極材料的儲鋰/鈉機理和界面動力學研究”獲得了2016年國家自然科學基金面上項目，這對于科研工作者來說，無疑是一個很大的鼓勵。屠呦呦曾說過：“一個科研的成功不會很輕易，要做艱苦的努力，要堅持不懈、反復實踐，關鍵是要有信心有決心把這個任務完成。的確，沒有事情是一蹴而就的，科研工作更是一個積跬步而至千里的過程。相信通過孫少瑞及其團隊成員的努力，在不久的將來，環境友好且功能強大的有機鋰/鈉離子電極材料終會面世。