進“電池黑箱”，斷“失效”緣由
—訪上海科技大學副研究員、2021級星友余毅

翻閱2021年啟明星名錄，來自上海科技大學的女生余毅引起我注意，名錄上介紹她做的是以原位譜學方法研究電化學反應。原位譜學于我是全新的概念，于是撥通電話。電話那頭的余毅簡要介紹了原位譜學和她的從學、從研經歷。這位有著南開大學本科、馬里蘭大學帕克分校博士、勞倫斯伯克利國家實驗室博士后經歷的星友以及她從事的原位譜學研究自然是吸引我的。余毅很快幫我落實入校手續后，在上海科技大學她所在的物質科學與技術學院做了這次啟明星采訪。

一見余毅，就覺得這是一個很真、很純的女孩子，眼睛大大的，口音是那種帶有廣東話韻味的普通話，至少我聽上去是蠻舒服的。余毅先帶我參觀了一下她所在的劉志教授領導的課題組，介紹了她的兩位同事。上海科技大學是一個對標國際一流研究型高校的新型大學，其辦學理念和風格及其取得的成效已在國內外學界引起關注。這所學校近年來入選的星友開始多起來，余毅已是我訪問的第二位上科大星友。坐定后我介紹了《世界科學》雜志“今日啟明星”專欄的大概情況以及近期幾位星友的采訪情況，并介紹了前不久召開的啟明星30周年紀念大會，這個過程中她是個靜靜的傾聽者。很快我們進入采訪正題。

和睦的家庭易出自信、自立的孩子

1986年7月出生的余毅是廣東省廣州市人，獨生女，父母都是企業員工。她的童年比較“放縱”自己，看動畫片花了很多時間，通常是一邊看電視動畫節目一邊寫作業。她喜歡手工勞作，喜歡琢磨一些小東西。兒時的余毅就是一個自主、自理能力很強的孩子，小學就參加奧林匹克培訓，每周一場的培訓都是自己坐車來回。成績也一直居于班級前列。余毅說她的這種自信、自主能力與父母給了她很大的自由空間有關，“我們之間能平等交流，放學回家在晚飯餐桌上我和父母會很自然談起學校和班級里、同學之間的事，他們是很好的聽者”。有一段時間她的考試成績有點起落，但余媽不會批評女兒，而是安慰她說我們相信你的，你知道會怎么做。家里也沒有讓她參加興趣班。余毅的這種自信心、獨立也有天性的成分，用余毅的話來說她的自尊心是強一些，比較爭強好勝。一二年級時一次學校組織演講比賽，余毅提前半天才獲知要她上臺演講的信息，于是很著急哭著找奶奶，奶奶再找老師說這次最好不參加。雖然老師同意她不參加了，但這件事一直印在她腦子里，小小年紀的她想到如果今后碰到這種事是否可以選擇面對而不是回避。在小學期間，余毅好幾年擔任班長的經歷也讓她提升了管理能力，余毅會清晰記得每位學生父母的樣子，每次開家長會她都會把學生手冊送到每位學生的家長手里。

除了爭強好勝，具有自立、自理能力外，做事認真、重規范的特點也開始養成。余毅回憶說，小時候自己的東西都會自己收拾。這也逐步養成了她喜歡整理東西，做事有規劃，喜歡井井有條的風格。譬如睡覺前她會根據第二天的課表把課本、作業本一一放好。假期作業她會提前做好，絕不會拖到最后，“可能是做完了覺得玩得可以安心些”。這種自律、自理的能力其實也在學習上幫助到了余毅：“我的學習能力也是自然中形成，主要是認真學習。老師講的、課本的知識點我覺得邏輯都很簡單，都能很自然地記住。有一次生物考試我也沒有去刻意準備，而是按自己的要求一步步學，成績是班里唯一的一個滿分。”

“今日啟明星”采訪通常在進入對被訪星友課題工作報道前會花點筆墨介紹其成長過程，其中就有其兒時成長的部分，因為那段時間是人的秉性養成的關鍵期，而這些性格、秉性應該是其日后成長的一個基點。

有幸在求學年代遇到好老師

當年廣東高考是3+X。這個X余毅選了化學。余毅從小理科比較好得益于小時候就喜歡看《十萬個為什么》之類的科普書。而中學時數學、化學課的老師上課特別引人入勝，且重點清晰、毫不枯燥也是余毅走上科學之路的重要促因，“我有幸在求學年代遇到好老師。”余毅特別提到高中時她就讀的理科重點班的“同桌安排”一事，當時班里報物理和報化學科目的同學各占一半。學物理的同學也要學大化學，學化學的要學大物理。座位是交叉著坐。“老師的這種有意安排是想讓我們的眼界放開，你的對手不是同桌的同學，而是外校的學生。也因此同學們都互相幫助，很少有小心思。高中時期的同學情誼至今都在，大家都還有聯系。”

2005年高考，余毅考入天津南開大學化學專業。其實廣東等地的孩子不太愿意離開家鄉，離開父母，因為廣州也有很好的大學。但這個土生土長的“廣東娃”不想留在家鄉讀大學，她的想法是：已經在廣州待了18年了，何不利用這人生的難得機會去其他地方看看呢。余毅的想法也得到了一直很理解她的父母的支持，因為他們相信她的判斷。在確定了選擇化學作為專業方向后，她曾找高三班主任征求老師對化學專業日后發展前景的看法。班主任給她的建議是你只要學有所成，把事情做好了，不會沒有出路的。班主任還建議她即使現在定不下來也可以先去看看這個世界。老師的這些話在一定程度上堅定了她離開廣州去外地求學，以后又到國外深造的決心。

南開大學的讀書風氣好，科研和科學文化積淀深厚，化學更是其傳統強項。到了南開余毅感覺這里高手如云，很多同學好像都不用怎么學功課就很好，這也讓她感覺到壓力，必須更努力。南開本科四年學習讓她對化學有了更多的認識，從一門單一的要做作業、要應付考試的專業課擴展到在我們人類生活中無所不包的、更具體更豐富的學科。本科后期的科研實驗則初步訓練了她從待求解的科學問題中抽出最關鍵的部分做實驗、發論文的能力。

走上原位譜學研究之路

2009年，余毅本科畢業，也是受到當時出國氛圍更濃的京津等北方地區高校的影響（彼時南方的學生本科畢業后只有不到10%的學生考慮出國，大多數是選擇就業），看到不少同學在做出國準備，對自己英語水平很有自信的余毅感覺自己也可以去嘗試。在出國考試準備過程中，余毅結合自己今后的發展做了認真的思考后申請了幾所學校，最終她去了綜合能力更好，尤其化學更出色，地理位置也比較好的馬里蘭大學帕克分校，部分原因也是馬里蘭大學給了全額獎學金。這樣2009年余毅就去了馬里蘭大學帕克分校化學與生化專業攻讀博士學位。第一年在完成基礎課程學習的同時，她與不同導師交流后確定了自己下一步的科研方向（系里規定一個學生必須與三位以上的導師有過專業上的交談后才能確定專業方向）和導師。當時余毅心儀的研究方向有能源方向的電池新材料，有做譜學分析和表面分析的方向，還有做物理化學的方向。余毅定下導師布萊恩·伊奇霍恩（Bryan Eichhorn）教授的研究方向涵蓋了以上幾個方向，其研究方向涉及能源材料、電化學反應過程中的物理化學過程，主要是利用原位譜學方法來研究，這在當時是一個全新的方向。也因此余毅走上了原位譜學研究之路。

人生關鍵時期有良師指導是難得的幸運。在余毅眼里，伊奇霍恩教授是一個極為友善的老師，他從來不批評學生，從來不以導師自居，更多是以課題組一員的身份參與課題交流：“我們交流時他就拉一個座椅到我們的工位旁聽我們談，在聽的過程中他會給我們建議。在此過程和氛圍中我們逐漸成長起來。”除了學業、人格和為人方面受益外，說起導師對自己專業上的引導，余毅馬上說導師的化學直覺讓她至今都有受益：“在向他匯報科研上的進展時，他能很敏銳地知道我是真正了解了某一個概念、術語的本質，還是只是借用了文章中的結論和概念，對這個結論產生的背后機制并沒有真正理解。他能進一步點出我工作中的不足，讓我去找哪些文獻看。其實原位譜學對導師來講也是比較新的，但是他的化學直覺幫助他很快抓住了這個領域的核心和要害問題，并逐步挖掘，奠定了原位譜學這一研究方向的基礎。”

原位譜學方法帶來觀測技術革命

采訪至此已經進入了被訪對象的研究課題——原位譜學本身。在見余毅前我對“原位”這個術語的理解還是從病理學角度，對非常早期的腫瘤有所謂的“原位癌”一說，這個原位譜學的原位與此有關聯嗎？余毅回應，沒有直接關系。這里所說的原位譜學出自對反應過程的研究：“原位譜學（方法）可以這樣理解，舉個最貼近日常生活的例子，可充放電池隨著使用時間和充放電次數增多而失效是一個困擾電化學、材料和工程界的難題。欲解此難題，必須能進入正在工作的電池體系內，一窺電極與電解質界面處正在發生的反應的詳情，這樣才能得到失效具體原因的第一手數據，并據此做出材料和結構上的調整，減緩、改善失效率。這就是原位譜學提出的背景和大概的描述。”

在美國先進光源與同事輪班實驗

余毅告知，針對電池失效的以上解題思路很多科研人員都想到過，但是就是因為進不了在用電池的內部，或者說無法進入這個“電池黑箱”一窺其詳情而抱憾。電池系統一旦啟用，電池內的電化學反應隨著發生，而一旦停用電化學反應也瞬間停滯。電池器件（體系）中發生電化學反應的界面通常是隱匿的，沒有辦法直接看到電化學反應發生的具體細節。傳統上的非原位方法是在反應完成后去看產物，來反推其形成過程及反應機理。而原位方法是希望在電池電化學反應過程中，利用X射線等各種譜學方法直接去觀測反應及其物態、物種變化，以在器件運行中或電化學反應發生過程中直接對這一反應做實時測量。按照余毅的說法，當時伊奇霍恩教授帶領的原位譜學團隊所做的實際上是鉆到黑箱里面（或者說把“眼睛”帶到黑箱里），在電極與電解質作用的界面（電池內最關鍵的反應和過程，包括能量物質的轉化都發生在這個界面）實時了解其變化。這是一種定點的實時觀測。這樣做能看到事后看不到的東西（物態）。傳統的非原位探測方法是在器件（如電池）停止工作后打開其“內臟”一窺其樣態，但此刻內在的電化學反應都已停滯，無法看到“真相”。這也正是原位譜學方法帶來的觀測技術的革命。

在原位譜學研究重鎮經受歷練

設計好實驗后，具體的原位譜學實驗和數據采集余毅是到勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源原位實驗站做的。當時美國能做這種實驗的地方不多，先進光源的原位實驗站是其中一個。余毅告知，當時（2010—2014）他們大概每3個月去一次，每次在那里約一周時間。為了充分利用時間，基本上是24小時連軸轉（實驗人員換班，不停機）。這種充滿時間緊迫感的實驗模式其實還挺刺激的。一旦看到譜學信息不是所期望的就要抓緊利用在機時間做調整，盡可能在時間段內取得如愿的結果。原位譜學這個課題得到美國能源部（DOE）的經費支持，他們是希望借助這個課題研究來揭示一些能源器件（如可充放電池、電解池、燃料電池等）中的失效機制，這樣可以提高下一代能源器件的性能，或者針對性地去設計新一代的能源材料。談到原位譜學發揮的作用時，余毅舉了一個鎂充放電池的研究為例。他們拿來鎂電池里最常用、綜合性能最穩定的電解質材料進行原位譜學研究。此前沒有人曾對這種電解質構筑的充放電界面提出過質疑。但原位譜學結果顯示這個界面其實并不如想象的那么完美，電解質的溶劑存在分解。另外通常認為電池失效是充放電過程所致，但原位譜學研究發現即使不經歷充放電，只是把電池裝配起來，電解質在界面還是會發生不可逆的分解。這是人們以前忽視的失效原因，這些新認知就是原位譜學發揮的作用，因為優化設計的前提是能發現問題。

訪問韓國原位X射線光電子能譜實驗室，并開展學術研討

勞倫斯伯克利實驗室是原位譜學研究的重鎮。余毅從馬里蘭大學博士畢業后就到那里跟隨亨德里克·布魯姆（Hendrik Bluhm）教授做博士后研究（2015—2017）。在那里余毅接觸到了更多的原位譜學方法，如X射線吸收譜、X射線衍射譜等，接觸到了更為復雜的體系，從固體-氣體界面到博士后期間接觸到更為復雜的固體-液體界面，開闊了余毅的見識和實際操作能力。博士和博士后期間，余毅在《美國化學學會會刊》（Journal of the American Chemical Society）、《材料化學》（Chemistry of Materials）等領域內權威雜志上發了文章。尤其在《材料化學》上發表的工作是第一次把原位光電子能譜手段用到可充放電池領域研究中。

入職上科大，助力原位譜學研究

2017年12月，完成博士后工作的余毅，在劉志教授的關心幫助下，加入了上海科技大學劉老師領導的原位譜學團隊。劉老師長期從事同步輻射方法學和原位譜學研究，曾在美國勞倫斯伯克利國家實驗室擔任終身研究員。正是在那里，余毅有幸結識了劉老師。劉老師2014年全職回國，先后在中科院上海微系統與信息技術研究所和上海科技大學組建了原位譜學團隊。在這個團隊中，余毅的研究能力、科學思維及實驗能力獲得了更多方面的提高。與原位譜學團隊成員合作，在《核技術》和《科學儀器評論》等國際學術期刊多次發表關于原位光電子、俄歇電子譜學技術發展的文章，報道了結合多種X射線原位方法的研究成果。

2021年，余毅受聘上科大大科學中心副研究員，并入選啟明星計劃。啟明星項目支持她引入另外一個先進的原位譜學手段——駐波光電子能譜，用于研究稀土氧化物材料在固體-氣體界面反應過程中化學物種和活性位點的動態變化，將原位譜學方法引入稀土氧化物也是基于前幾年原位研究的基礎。啟明星項目是余毅入職上科大后獲得的首個獨立擔綱的省部級科研項目。余毅說她一定不負啟明星計劃的信任，把這個原創性工作做好。

原位譜學會有更多的用武之地

考慮到這次余毅所介紹的“原位譜學”研究工作的新意和重要性，我希望她和劉老師能專門撰寫一篇關于原位譜學興起的背景、研究內容及其需求、未來可能的應用場景的科普文章。這其實是一件不易完成的任務。余毅意識到對科學新知識做普及的重要，所以沒有猶豫就答應了這一約稿任務。余毅說：“劉老師比我看得更寬更遠更深，觀點和表達也會比我更通俗易懂，而且他一向很支持推廣原位技術和方法。”與前些年相比，這幾年原位譜學這個領域國內同行的關注度很高，國外這個方向發展也很快，隨著大科學裝置的發展，未來必將獲得更多的關注和應用。但是還有不少其他領域的科研工作者不知道原位譜學，所以他們愿意寫一點這方面的科普文章，如能讓更多人理解這一技術的重要性，并將此方法引入他們的工作（譬如反應機理和動力學、材料實時監控、活細胞成像甚至是分子電影），這樣原位譜學就能有更多的用武之地。

也希望看到這篇啟明星訪問稿和關于原位譜學的科普文稿的星友們可以通過啟明星平臺發表意見，啟明星協會愿意為有這方面需求，希望開展交流探討的星友們提供交流平臺。

江世亮采寫于2022年1月15日