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2018年，刚硕士毕业的林锐，加入西湖大学工学院王建辉实验室，成为一名博士新生。彼时的他想象不到，在未来三年多的时间里，他将一直在一个课题上死磕。
同年，导师王建辉也刚刚离开东京大学，和林锐几乎前后脚地搬进位于西湖大学云栖校区的实验室。他继续从事储能研究，从镍氢电池，到储氢材料，再到锂离子电池……都是他熟悉的领域。彼时的他也预料不到，下一个重要成果将在哪个课题上率先取得突破。
诚如王建辉在他个人主页上写的那样：科学探索中，笃信与质疑共存，偶然与必然同在，是挑战也是机会！
关于他们，这里有一个笃信与质疑、偶然与必然的故事，想和你分享。
为什么死磕水系电池
电池的重要性和普遍性，不言而喻。大到上天入海的大型交通工具，小到每个人手握的手机、电脑，这些器件的启用运行，都离不开体内电池的能量供应。
从世界上第一个真正意义上的电池“伏特电堆”，到后来的蓄电池、干电池，电池这个人工产物在过去200多年里不断发生着技术变革。近年来，随着全球确定了碳达峰、碳中和的发展目标，基于可再生能源利用的大规模储能和新能源汽车的普及推广也成为发展的必然趋势，人们对于安全、环保、高能量密度、低成本电池的需求愈发迫切，这也对科学家们探索新一代电池提出了更高的要求。
以生活中最常见的锂离子电池为例，它具有能量密度高、体积小、重量轻、使用寿命长等优点。然而，锂是一种非常活泼的金属，遇到极少量水即刻便能发生反应，锂离子电池通常只能在严格控制的干燥房里进行生产；锂电池对温度也十分敏感，通常只能在室温附近的-20～50℃范围内稳定工作，一旦电池内部局部过热，便可诱发一连串放热反应，甚至起火爆炸……据不完全统计，2021年全国新能源汽车火灾事故约3000起，电动自行车火灾约1.8万起，造成巨大的人员安全和财产损失。
面对悬而未决的安全问题，科学家们把目光投向了水系电解液，相比目前锂离子电池使用的有机电解液，水系电解液的“安全系数”要高很多，不难理解，水系溶液不可燃，这就大大降低了电池燃烧爆炸的风险。
安全性高、制备条件宽松、成本低廉，一直是水系电解液的抢眼优势。但它的瓶颈同样突出——电压窗口窄，限制了电池的能量密度上升空间。例如，常规水系电池，如铅酸电池、镍镉电池的电压为1-2 V，能量密度只有30-50 Wh/kg，远低于有机系锂离子电池（3-4 V，150-250 Wh/kg）。水系电池的能量密度不到锂离子电池的1/3，因此使用水系电解液的电池在市场上不具备竞争优势。
如何制备出宽电压窗口的水系电解液，以实现匹敌有机系锂离子电池的能量密度？在这场全球能源、材料领域科学家参与的“神仙打架”中，以王建辉导师和林锐为主的团队“死磕”三年，于近期取得了突破。
今年1月，西湖大学王建辉和刘仕团队在Joule杂志线上发表题为“Asymmetric donor-acceptor molecule regulated core-shell-solvation electrolyte for high-voltage aqueous batteries”的研究文章，并在刚刚出版的Joule 2月刊中作为封面出现。而林锐，正是该文的第一作者。
论文免费下载链接：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00002-2
全新电解液“秘方”：甲基脲
在全新水系电解液中，研究团队用到了一种关键“配方”——甲基脲分子。甲基脲是一种十分常见的化学物质，主要用于有机合成及制药工业，成本低廉。更重要的是，作为一种不可燃、低毒的物质，甲基脲十分符合制备水系电解液材料的需求。
通过多种原位/准原位表征，以及反复的实验验证，加入甲基脲的电解液可以有效抑制水在高/低电位条件下的氧化/还原分解等副反应。在相同测试条件下，研究团队对比研究了近10种已报道的代表性高电压水系电解液，结果显示甲基脲水系电解液具有最宽的4.5 V的电化学稳定窗口，是常规水系电解液的2倍多。基于此结果，能够大幅提高水系电池的能量密度，有望开发出与有机系锂离子电池相匹敌，并兼顾安全和成本优势的新型电池。
“结构决定性能。”来自工学院的王建辉和林锐，不满足于表面性能的突破，他们想要更进一步地“知其所以然”。他们找到理学院的刘仕团队合作，通过分子层面的模拟计算，深入理解电解液组成、结构与功能之间的联系。
基于大量数据结果分析和不同尺度下观察，团队惊喜地发现了一个独特的溶液结构，显著区别于普通水溶液。
我们可以看到Joule封面上的水滴，黄绿色的“盐核”被蓝紫色的“有机/水壳”紧紧包裹，共同形成一种名叫“核壳”的溶液结构。王建辉说，这是一种在固体纳米材料中“最常见”的结构，但在液体中发现类似结构，令人非常意外，这为调控溶液结构，设计新型电解液，以及后续各种可能的应用研究提供了理论基础。
三年磨一剑
2022年的1月，林锐终于收到来自《焦耳》编辑团队消息：文章被接收了。
入学至今，这是他的第一篇文章，也意味着他的工作得到了同行的认可。
苦苦研究水系电解液三年，林锐着实压力不小。
起初，这只是一个用来“练手”的小课题，拿到初步结果后，2020年初，林锐就完成了第一篇初稿。只是，导师王建辉敏锐地注意到，前期科研人员的水系电池工作设定了很多前提条件（如，使用特定集流体、电极表面各种预处理、过量锂源、泛滥的电解液用量），偏离了实用化需求，同时为了电池的稳定工作，引入了可燃的有机物，这忽视了使用水系电解液的初心——安全。
于是，“小”课题似乎有了“大”前景。
在导师的鼓励下，林锐又熬了两年，终于构想出一种简单有效的策略，来获得宽电化学窗口的水系电解液。这种电解液成本低、安全性好，为推动安全、廉价和高能量密度的水系电池的发展创造了有利条件。
看到Joule封面的那一刻，林锐庆幸自己坚持下来了。他本可以选择在第一年把已有的成果投稿到容易发表的期刊上，也可以选择做一些较少人涉猎、机会更大的领域，那样意味着更多的可能。但他觉得，既然选择了这个课题，就应该坚持做到底，做更深层次、更有指导价值的研究。
“如果只是为了发文章交差，那科学研究就失去了它最大的意义。”林锐说。
图为王建辉团队成员合影
王建辉位于后排左七，林锐位于后排左二
今后，林锐将继续在水系电解液领域深耕，期待能找到一种低价、绿色、安全的电解液投入到电池实用中去。
克制内心的焦虑，静心沉着的思考，笃信坚持的意义，质疑权威的答案，科研成果的诞生，就在偶然和必然之间。
王建辉，西湖大学新能源存储与转化实验室负责人、研究员、博导，入选国家级人才计划、浙江省人才计划、杭州市人才计划。2002-2006年，保送浙江大学材料专业，获工学学士学位。2006-2011年在浙江大学、新加坡国立大学、中科院大连化物所接受直攻博联合培养，获工学博士学位。毕业后在日本九州大学国际氢能中心从事博士后研究。2013-2018年，加入东京大学从事锂/钠离子电池与电解液研究，历任特任研究员、日本学术振兴会JSPS Fellow、主任研究员（Chief Researcher）。代表性成果包括：首次研发一种高效的非过渡金属（钾）储氢催化剂并揭示其催化机理（Angew. Chem. Int. Ed. 2009）；设计首例“单一溶质单一溶剂”的高电压锂离子电解液，实现5V级电池（Nat. Comm. 2006）；设计灭火有机电解液，实现安全长寿锂/钠离子电池（Nat. Energy 2018, Nat. Energy 2019）。相关研究获得美国、日本汽车公司赞助以及日本学术振兴会科研经费支持，相关成果得到中国新华社、日本经济新闻、读卖新闻、英国 Chemistry world、Phys.org等国内外传媒报道。
西湖大学新能源存储与转化实验室致力于探索和开发新一代清洁能源存储与转化关键技术，如高能量密度可充放电池、液流电池、新型储氢技术与燃料电池。课题组欢迎对科研有热情的博士生、博士后、助理研究员、科研助理加盟。
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