10月9日傍晚，王建辉正在做实验，一旁的手机屏幕上接连跳出一串微信新消息提醒，似乎有些反常。他打开一看，好几个微信群都沸腾了——就在几分钟前，2019年诺贝尔化学奖揭晓。
　　约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)、斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham） 和吉野彰(Akira Yoshino)这三位科学家，因在锂离子电池发展上做出杰出贡献获得诺奖殊荣。而锂离子电池与电解液研究，正是王建辉过去6年来一直专注的领域。
　　“实至名归！”和微信群里倍受鼓舞的同行们一样，王建辉也觉得，锂离子电池研究早就该拿奖了。
　　锂离子电池到底有什么神奇之处？本期Lab Show，让我们走进西湖大学工学院PI王建辉的实验室一探究竟。

　　王建辉有着丰富的电池研究经验。
　　2002年，保送浙江大学材料系，大二起进入实验室，开始镍氢二次电池相关研究；
　　2006～2011年，他接受浙江大学、新加坡国立大学、中科院大连化物所的直攻博联合培养，从事固态化学储氢研究；
　　2012年，前往日本九州大学国际氢能中心从事博士后研究；
　　2013年8月，转至东京大学从事锂离子电池与电解液研究；
　　2018年9月，全职加入西湖大学。

　　接地气的诺奖

　　王建辉从小喜欢化学，18岁时获得全国化学竞赛一等奖。加入西湖大学之前，他在东京大学从事锂离子电池与电解液研究已有5年。当他谈起今年诺贝尔化学奖，就像是在介绍自己的实验室一样娓娓道来。
　　“除了实至名归，还非常接地气。”王建辉说。

　　在王建辉实验室入口处摆着一组3D打印的科普模型，里面的手机、笔记本电脑、电动汽车，都是锂离子电池的应用。
　　过去十年，智能手机越来越轻薄，甚至出现了柔性屏、可折叠屏；平板电脑、笔记本电脑越来越便携；过去显得鸡肋的智能手表、无线耳机等可穿戴电子设备，眼下也越来越实用；连汽车这样的大件儿，现在也只要充电就能跑出数百公里了……
　　可你有没有想过，一代又一代电子设备横空出世，颠覆我们的生活方式和工作节奏，与它们身体里那枚小小的电池密不可分。“和镍氢电池相比，同等体积下，锂离子电池的能量密度要高出近一倍，所以它迅速成为手机、电脑，甚至汽车等移动设备的首选电源。”王建辉说。
　　诺贝尔化学奖旨在颁给化学方面有重要发现和取得重大成果的人。能拿诺奖，一定有其过人之处。王建辉指着实验室里的一组科普模型解释：“我们可以把电池理解为用来储存电能的容器，外面的电可以充进来，存在里面的电也可以放出去，但制造储存锂离子电能的容器很不容易。”
　　难在哪里？“因为锂是一种非常活泼的金属，遇到极少量的氧气或水，它都能发生反应；锂离子电池对温度也很挑剔，它通常只能在室温附近的-20～60℃范围内稳定工作。”王建辉说，“而且一旦电池内部局部过热，便可诱发一连串放热反应，甚至引起起火爆炸，这也是为什么电动汽车对电池组的温度控制得非常严格。”

　　实验中常用的手套箱，使用时需要真空抽净箱内的空气和水分，然后注入惰性气体，以防锂离子过于活泼地发生反应。
　　从惠廷厄姆采用硫化钛作正极材料，到古迪纳夫研发出钴酸锂和磷酸铁锂正极材料，再到吉野彰以钴酸锂为正极、碳材料为负极、六氟磷酸锂盐溶于碳酸酯有机溶剂为电解液，构建了世界上第一个可充电锂离子电池的原型。这次的诺奖正好告诉我们，过去数十年，科学家们都想了哪些方法去控制“淘气”的锂离子，把它驯服得可充可放且易于存储。
　　而这些，都是王建辉在过去的学习和科研经历中再熟悉不过的知识，面对未来，他想做些什么？

　　未来的电池

　　虽然锂离子电池已然大规模商用，成为我们抬眼可见的生活必需品，但上面说的那些技术难点依然制约着它进一步发展。
　　比如，它对温度很敏感，所以使用锂离子电池的电动汽车万一温度超标会有自燃爆炸危险，在寒冷的冬季手机电量也会快速流失；而目前成熟的锂离子电池技术的能量密度已经接近其理论值，难以大幅提升，也就是说，电子设备一天一充的麻烦很难改善，电动汽车的续航里程焦虑也很难缓解。

王建辉团队成员正在做实验

　　
　　这些问题，便是王建辉来到西湖大学后，带领新能源存储与转化实验室正在着手攻克的难关——
　　钴酸锂和磷酸铁锂，这些目前在锂离子电池中广泛应用的材料已经发挥了它们最大的效能，“江郎才尽”后有没有更好的替代物去提升电池能量密度？他们将目光瞄准了新材料。
　　有机电解液为锂离子在正负极之间自由移动铺好了道路，但同时易燃易挥发，当温度达到一定条件后成为爆炸的导火索，刀剑的双刃怎么破？他们又将目光瞄准了研制新的电解液配方。
　　锂离子电池依靠锂离子可逆地嵌入和迁出电池正负极材料这一机制获得了很好的充放电循环稳定性能，但该机制同时也限制了锂离子电池容量的提升，已满足不了当下人们日益增长的高能量密度的需求。瓶颈已至，何去何从？他们将目光投得更远，去寻找并突破新技术。

　　实验室里制成的“半电池”，会在这里测试性能。
　　“这是一个漫长的过程，是新材料不断代替旧材料、新技术代替旧技术的过程。”算上王建辉，实验室一共有12人，其中6名是2018级和2019级的博士研究生。这个年轻的团队，正在绞尽脑汁探索未来电池的方向。
　　他们中，有的在研究新型电池，摒弃现有电池的材料组合，去研发新的正极、负极、电解液组合；有的在探索新型储氢技术，如何把氢这种能量密度高的物质高效地存储在容器里；有的在研究新的电解液，现在主流锂离子电解液的配方自商业化以来基本没有大的变化，用的是可燃的物质，但是否可以使用不可燃的物质来调配新的电解液呢？
　　“不管方向是什么，目标殊途同归，都是研究如何提高电池的能量密度，如何提升电池的安全性。”王建辉说。
　　这两个目标，在他十余年钻研电池的经历中一以贯之，此前也取得了一些成果。
　　2016年，王建辉基于“高浓度电解液策略”，研发了首例“单一溶质单一溶剂”的高电压锂离子电解液，将电池电压提升至5V，从而可以进一步提高电池的能量密度。
　　2018年，他又研发了具有灭火功能的有机电解液，让锂离子电池更安全、更长寿，有效降低了电池起火爆炸的风险，从而有望从根本上解决电池的安全问题。
　　基于电解液的研发基础，王建辉团队接下来还将致力于开发新型电极材料，探索新一代清洁能源存储技术，以克服现有技术在能量存储密度和安全性能上的瓶颈限制。

　　学科交叉的想象力

　　新技术、新电极材料，新电解液，每一环的更新都是一次颠覆性的重建。来到西湖大学后，王建辉碰到了很多“合作伙伴”，学科交叉碰撞出的可能性，让他面对挑战时更有信心。
　　同属工学院的PI周南嘉，是王建辉最先合作的对象。周南嘉研究的是3D打印技术，精细程度可至纳米级。他们合作，尝试通过3D打印研发新型构造的锂离子电池，可以把电池做得更精细、更紧凑，用于可穿戴设备和精密仪器。

　　同属工学院的王建辉和周南嘉，平时有很多交流机会。
　　最近，王建辉又和理学院的两位PI开始合作，刘仕博士的研究能够通过复杂的模拟计算，理解电解液组成与功能之间的联系，为研发新型电解液指出方向；郑昌喜博士从事的纳米表征技术研究，可深入洞悉材料的结构，对研发新型材料很有用。

　　王建辉说，锂离子电池与氢能源均为新能源存储技术，具有很好的互补性，锂离子电池代表了当下的主流，氢能源代表了未来的可能。
　　更好的技术在未来，更好的科研成果在实验室，这是身为科学家的笃信。正如此次诺贝尔化学奖获得者之一古迪纳夫，97岁高龄仍奋战在能源研究战线上。他曾说：“我才九十多岁，还有时间。”
　　像这位前辈一样，王建辉团队的年轻人们从未觉得某一材料、某一技术已经足够好了，他们大胆设想、反复尝试，勇敢地朝向心中的“更好”努力着。