袁欣彤：“失敗”是最大的收獲

王兆昱　孟凌霄

將長達50頁的回復信發給《自然》審稿人時，袁欣彤從未想過，自己的論文最后會登上《自然》封面。

這個直爽開朗的山東姑娘目前在美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）讀博士三年級，而她的導師、該校工程學院化學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，這篇“成功”論文的最大價值，反而在于良好地展現了實驗中“失敗”的部分。這是她在整個研究過程中最大的收獲。

這篇登上《自然》封面的論文，題為《獨立于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研究。

你可能聽說過鋰電池，手機和電動車使用的便是鋰離子電池，它通過鋰離子嵌入式插層進入石墨電極的方式儲能。而另一種與鋰有關的電池是鋰金屬電池，它通過將鋰離子電沉積還原為鋰金屬來儲能，內含大量金屬態的鋰。

鋰金屬電池理論容量大、能量密度高，具有很好的開發前景。然而，鋰金屬電池目前仍處于研發初期，存在循環壽命短、安全性差的問題。而這些問題出現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下，袁欣彤將冷凍電鏡技術應用于這項研究。

在生命科學界大名鼎鼎的冷凍電鏡技術，于2017年獲得諾貝爾化學獎。也是在那一年，李煜章及其博士時期的導師、美國斯坦福大學教授崔屹開拓性地將冷凍電鏡技術應用到了材料科學領域，并首次獲得了鋰枝晶的原子級結構圖像。

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

一次在顯微鏡前觀測時，一個大膽的想法出現在他們的腦海中：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程。

隨后，袁欣彤使用超微電極進行鋰金屬的快速沉積，使其掙脫了SEI的束縛。課題組驚訝地發現，鋰沉積統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”，這種穩定的沉積有望帶來均勻的脫附，從而達到優良的循環性能。

“這是一個反常識的發現，但它符合上世紀經典晶體學理論對鋰作為體心立方晶胞結構的預測。”袁欣彤告訴《中國科學報》，一開始，她以為“完美的菱形十二面體”是偶然現象。但在嘗試了幾種不同的電解液和集流體基底后，出現在顯微鏡下的圖像依然是完美的菱形十二面體，也就是說這種現象與電解液化學和集流體基底性質無關，具有普適性。

這一發現不僅顛覆了鋰金屬沉積的傳統觀念，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。第一作者袁欣彤完成了本文的所有實驗設計、操作、數據分析和論文撰寫；袁欣彤的師妹兼室友、博士二年級學生劉博，則完成了多物理場仿真模擬和分析；該校電鏡中心負責人Matthew Mecklenburg博士，在成像分析上給出諸多建議；李煜章監督、指導了實驗設計、數據分析和論文撰寫。

袁欣彤介紹，她所在的李煜章實驗室以“小而精”著稱。2020年7月，不到30歲的李煜章來到UCLA擔任獨立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的碩士，而作為李煜章第一批入學的博士生，袁欣彤成了這個實驗室的“大師姐”。

師徒倆相遇于2019年除夕。當時，袁欣彤是天津大學教授鞏金龍團隊的一名碩士研究生。在她的博士申請季，第一封offer就來自即將在UCLA建立實驗室的李煜章。袁欣彤按捺不住心中的興奮：電化學、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用與材料學的專家。

彼時，李煜章已確定在次年加入UCLA，但還未正式建立實驗室，也沒有帶過博士生，袁欣彤甚至不能找到師門直系“取經”。但在專業方向的吸引下，袁欣彤毫不猶豫地接受了offer。

作為組內的“大師姐”，袁欣彤見證了實驗室的搭建過程。剛起步時，實驗室的設備、資金都有缺口，而鋰電池實驗所需的電解液常常“幾百刀聽不見響”。這時，李煜章總是派出“得力干將”袁欣彤，向其他實驗室借實驗儀器、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。”袁欣彤笑道，“導師總會以另一種方式補償我們。”剛入學時，袁欣彤從未上手過冷凍電鏡技術，李煜章便連著兩三個月教她拍攝、保存、處理數據。

除了好的導師外，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。在論文合作過程中，無論遇到什么樣的問題，她們都會與對方交流。她們都喜歡脫口秀，喜歡互相講段子。“我們倆經常把讀博期間的各種事編成段子，講出來就哈哈大笑。她笑稱我有當脫口秀演員的潛質，也是最懂我的梗的觀眾。”袁欣彤說。

如今，袁欣彤繼續在做鋰金屬電池領域的研究。她說，過去這項工作對自己來說是一個“驚喜”，得益于在人生關鍵時刻出現的良師益友。在未來的科研道路上，她不會拒絕任何一種可能性。