創造研究生教育和科學研究融合發展新模式
——電池專家埃斯特·竹內訪談錄

編譯 蔡立英

埃斯特·竹內（Esther Takeuchi）因研制心臟除顫器電池而廣受國際認可，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·竹內同時受聘于美國紐約州立大學石溪分校和布魯克海文國家實驗室，是一位富有創造力的發明家，擁有150多項專利。她榮獲了2019 年Sigma Xi協會沃爾斯頓·丘布創新獎，該獎自2006年設立，每年頒發一次，以前的獲獎者包括工程師阿克赫萊什·拉克赫塔基亞（Akhlesh Lakhtakia）、計算機科學家羅莎琳德·皮卡德（Rosalind W. Picard）和材料科學家斯坦·奧夫辛斯基（Stan Ovshinsky）等人。美國科學家羅伯特·弗雷德里克（Robert Frederick）與竹內暢談了電池發展的未來以及為實現這些發展而開展的合作，包括竹內實驗室的三名學術帶頭人匯集資源和專業知識，創造了研究生教育和科學研究融合發展的新模式。

植入式電池有哪些創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和計算機中使用的鋰離子電池。如今，電子設備更新換代如此迅速，以至于電池的使用壽命只須三年就足夠，因為人們使用同一款電子設備往往不超過三年時間就喜新厭舊了。但是，新型電池應用，例如電動汽車，現在的預期電池使用壽命是10年。對于支持電網或與可再生能源（例如風電場或太陽能）相連的電池，有時我們期望它們可持續使用15年或20年。受到預期壽命為5年或10年的醫用電池的一些實現方法的啟發，我們也許可以獲得如何延長電池使用壽命的知識。

是否有特定方法或工具將醫用電池上的研究應用于其他電池？

我們對電池的理解，至關重要的一點是：通常不是活性物質的消耗，而是某種寄生反應導致電池壽命的終止。對于設計精良的電池，這些寄生反應非常小。但是，通過使用等溫微量熱法等工具，我們可以測量電池處于活動狀態和靜止狀態時產生的熱量。通過仔細分析這些熱信號，我們可以確定多少熱量是由于電池的工作或運行產生的熱量，而有多少是寄生熱量。正是這些寄生熱量與最終將導致電池終止服務或是決定電池使用壽命的這些降解反應相關。我借鑒了多年來研究醫用電池所使用的相關方法學，才能夠洞悉這些特定的寄生反應。但是在電池的其他領域，這種研究方法的用途卻不那么廣泛。

不在醫用電池應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。這種方法確實需要花費一些時間才能獲得適當的測量結果，并且破解這些測量結果意味著什么也要花時間。例如，僅將其用作質量控制檢查很可能會太慢。因此，與質量控制工具相比，它實際上更是一種研究工具（用于理清電池內部發生的反應）。也許只是由于人們缺乏對該工具的了解，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科學問題，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，對于鋰離子電池等其他電池，它們實際上并沒有得到很好的回收利用，尤其是在美國，因為這更多的是經濟問題。當前的回收方法實際上基本就是將電池拆開，然后通過溶解在強酸中回收元素。鋰離子電池中常用的一種非常昂貴的元素，并且使經濟方面的考量開始變得有意義的，那就是鈷的回收。

鈷的缺點是，它僅在地球上很少的地方能開采到，最常見的產地是在剛果民主共和國，并且有人對那里的開采方式提出了質疑。因此，還需要相當大的努力來設計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濟上可行的原因。因此，如果未來的鋰離子電池缺少鈷，那么再次回收單個電池組件將成為一項財務挑戰。我認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。如果僅以傳統方式回收——熔化或溶解電池或其他方式，在經濟上也許是不可能的。我認為我們必須在再利用整個電池或整個電極方面更具創造力，就像我們在研究中一直在嘗試的那樣，我們已經展示了一種可再生電極，能使整個電池循環使用壽命的持續時間更長，對環境的影響也更小。

您的實驗室有許多并行的項目。您是否還想啟動其他項目，但是沒有余暇或資源？

現在確實是投身能量存儲研究的非常激動人心的時機，因為這個領域的應用正在不斷拓展。新應用對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都需要對這些問題有基本的了解——我們在哪里進行研究，以掌握電池的工作原理、機制以及故障機制（這一點同樣重要）。電池的研究項目有很多，但是有一個統一的主題：我們如何使電池容量變大，以及需要了解和控制哪些參數才能有效和高效地設計大容量電池？

我們一直專注于三個主題領域。第一個研究領域是多功能材料，這里的材料是（化學）活性材料，但它們還可以起到其他作用。例如，活性材料通常不導電，我們正在研發具有導電性的活性材料。第二個領域是我們正在研究（電池組件之間）的界面穩定性。我們如何控制（電化學）界面？我們如何創造人工界面，而不僅僅是允許界面在電池內部自發或偶然地形成？我們探究的第三個領域是具有確定和可控的孔隙率（影響電化學反應速率）的電極結構，以探查限定參數以及最終我們如何針對特定應用來確定和設計理想的電極。

盡管這些項目中的每一個似乎都是一個單獨的項目，但它們都是能源前沿研究中心（EFRC）研究計劃的一部分。我們的研究團隊、合作研究人員和合作機構所付出的努力，為推動這些計劃向前發展發揮了重要作用。我真的將EFRC研究計劃歸功于能源部。該計劃規模足夠大，可以讓幾個學術帶頭人開展協同攻關，而這在其他情況下最終可能沒有機會實現。但是，EFRC計劃的規模又沒有大到無法進行有效管理。

您的研究團隊有多個學術帶頭人，是什么促使你們以這種方式來組織研究團隊？

艾米·瑪施洛克（Amy Marschilok）教授和我的丈夫竹內健（Ken Takeuchi）是我一直以來合作的兩個學術帶頭人。我們把各自的資源集中在一起，形成一個共同研究團隊，共同指導學生和博士后。布魯克海文國家實驗室有兩名研究人員，也是我們團隊的成員。

通過集中資源，學生們將從中受益，他們從我們每個人這里都能獲得真正獨到的見解。竹內健是一位廣受褒獎的導師和富有洞見的無機化學家、合成化學家和分析化學家。艾米·瑪施洛克是高級表征和高級電化學技術領域的專家。我的專長在系統地了解電池以及如何探測電池、如何控制電池、如何考慮下一代電池研制方面。學生們通過定期與我們交流，從不同的視角獲得我們三個人的觀點。與學生們的這種交流也使我們能夠以獨特的方式推進我們自己的研究。

我們強調以合作的方式運作我們的研究團隊，學生之間也可以相互合作。我們將大學的研究項目與國家實驗室的研究項目整合在一起，還將工業界支持的研究項目也納入其中。了解這些不同的環境如何運作，可以使我們的學生和博士后獲得獨特的見解，以推進他們自己的研究領域，并能朝著對他們有意義的方向追求其科研事業。因為了解了團隊科研的概念，所以他們可以為職業生涯做好充分準備。這就是科學的未來。這就是將來解決大的科學問題的方式。我們正在超越“一個學生、一個項目、一個學術帶頭人”這種傳統科研方法，創造研究生教育和科學研究融合發展的新模式。

我認為在科研的多樣性和包容性方面也正在取得進展。我記得，當我在工業界開始我的職業生涯時，曾參加過各種技術會議，見到會議室里的女性人數非常有限。我們正在取得進步，我堅信進步至關重要，這不僅是因為這樣做在道德上是正確的，而且因為我們需要讓最有才華的人做出貢獻。我們的社會面臨著重大問題和挑戰。我們不想僅僅因為身份或背景，就隨意排除能作貢獻的人。

我認為每個人都可能拿著拼圖。我們試圖解決的問題是一個很大的難題，因此我們需要每個準備就緒并參與其中的人來表達自己的觀點，以便最終揭示我們所需的答案。如果我們將人拒之門外，不鼓勵或支持那些有才干的人在自己有能力的領域孜孜以求，那么將需要更長的時間來填補這些難題并獲得答案。因此，我非常贊成培養和鼓勵人們發揮自己的才能和特殊天賦，使他們能夠參與并為整個社會做出貢獻。