历时8年、实验失败百次，她取得全球首个突破

 
历时8年、实验失败百次，她取得全球首个突破  
 

 

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。