从怀柔到伯克利：固态电池"追光者"的科教融合之路
文/图 张艳萍
中国科学院大学（以下简称国科大）立足科教融合优势，鼓励本科生早进课题组、早接触真实科研问题，同时依托境外访学政策，为学生打开走向世界一流实验室的窗口。2023级材料科学与工程专业本科生杨易鑫，正是这一培养模式的受益者与实践者。他长期依托中国科学院物理研究所怀柔研究部李泓课题组开展固态电池研究，大三下学期即以共同第一作者身份在能源材料顶尖期刊发表论文，随后又远赴美国加州大学伯克利分校，在Shannon Boettcher教授课题组开辟了一段全新的科研旅程。
如果说传统液态锂离子电池的电解液像一条奔涌的河流，锂离子在其中自由穿行，那么固态电解质更像是一片致密的森林——离子必须找到属于自己的路径，在固体骨架中艰难而有序地迁移。这片"森林"看似平静,实则暗藏着材料科学中最棘手的难题之一：如何让固态电解质既有足够的机械强度扛住锂枝晶的生长，又能保持优异的离子电导率，还要在成百上千次充放电循环中保持稳定。
杨易鑫在李泓课题组的研究，正是试图在这片"森林"中开辟出更好走的路。长久以来，固态聚合物电解质的设计者们默认了一条"公理"：交联密度越高，机械强度越强，但离子电导率必然随之下降——鱼和熊掌，似乎难以兼得。而杨易鑫与合作者的工作，恰恰是从这条"公理"的裂缝中找到了突破口。他们没有去改变电解质体系的主体配方，而是把目光聚焦在一个此前很少被系统研究的变量上——交联剂本身的分子链长度。通过精确调控一系列三羟甲基丙烷乙氧基化三丙烯酸酯（TMPn(EO)TA）交联剂中环氧乙烷（EO）重复单元的数目，他们意外地发现，离子电导率、锂离子迁移数与机械强度之间并非简单的此消彼长，而是呈现出一种由"配位效应"与"限域效应"相互竞争所主导的非单调关系。
换句话说，仅仅调节交联网络中交联剂这一个"零件"的物理尺寸，就足以像调节收音机的旋钮一样，对整个电解质体系的离子传输通道、界面化学乃至锂盐解离行为进行系统性的重塑。当EO链长调节至最优值（n=9）时，团队开发的ME9G电解质实现了近乎"既要又要"的效果：110 MPa的优异拉伸强度、0.094 mS cm⁻¹的室温离子电导率，以及超过1400小时的稳定锂对称电池循环。更重要的是，光谱与计算分析表明，恰到好处的交联密度不仅促进了锂盐的充分解离与阴离子的有效限域,还在电极界面处引导形成了一层富含LiF、贫有机物的固态电解质界面膜（SEI），这正是长循环稳定性的化学根源所在。这项成果最终以共同第一作者身份发表于能源材料顶尖期刊Energy Storage Materials——对于一名当时仍在读大三下学期的本科生而言，这不仅是对科研能力的一次有力检验，更揭示了一条此前被忽视的、通过交联剂物理性质"一石多鸟"式调控固态电解质综合性能的全新设计思路，也是国科大"科教融合"理念的生动写照。
图片 固态聚合物电解质分子设计与电池性能示意图
除这篇一作论文外，杨易鑫还作为参与作者，深度参与了课题组内另外两项重要工作：一项聚焦于聚氧化乙烯基固态电解质中路易斯酸位点的动态调控机制，通过"去配位"策略实现对离子传输通道的精细设计，同样发表于Energy Storage Materials；另一项则关注梯度电解质结构中力学与化学性质的一体化设计，探索长循环固态锂金属电池的新范式，成果发表于国际顶尖期刊Nature Communications。三项工作层层递进，从分子设计到界面调控，再到宏观结构工程，共同勾勒出固态电解质研究从微观到宏观的完整图景，也让杨易鑫在本科阶段就积累起扎实的固态电化学研究基础。
如果说怀柔的科研训练是杨易鑫在"森林"中摸索出的第一条路，那么大洋彼岸的伯克利，则为他打开了一片全新的地图。依托国科大境外访学政策的支持，杨易鑫赴加州大学伯克利分校化学院，加入了Shannon Boettcher教授课题组。这是一个在电催化与双极膜（BPM）领域颇具声望的实验室，长期专注于水电解、CO₂电还原等能源转化界面反应的动力学机制研究，而非传统意义上的电池课题组。恰恰是这种"错位"，成就了一次颇具戏剧性的相遇：Boettcher教授一直希望将课题组在电催化界面动力学分析上积累的方法论，延伸到锂离子电池正极材料的研究中去，探索氧化物包覆LiCoO₂电极的界面动力学问题，但组内此前并没有具备锂电池研究背景的学生。杨易鑫的到来恰逢其时——一边是渴望开辟电池新方向却缺少"内行"的课题组，一边是希望跳出舒适区、把电化学动力学理解推向更基础层面的访学学生，双方一拍即合，由他从零开始在这个课题组里开创了这一崭新的研究方向。
没有现成的模型可以套用，没有前人蹚出的路径可以照搬，杨易鑫需要重新梳理电化学动力学的基本框架，从头搭建起适用于该电极体系的数据分析与建模方法。这段经历远比想象中艰难。作为一所大型公立学校，伯克利的科研设备与经费资源远不如想象中充裕，实验排期紧张、仪器培训周期漫长是常态；与此同时，受美国近期一系列针对中国留学生的政策限制，杨易鑫也无法使用毗邻的劳伦斯伯克利国家实验室中许多先进的表征与计算资源。所幸，Boettcher教授在俄勒冈大学的学生此前已摸索出一套电极的制备方法与数据分析的范式，杨易鑫特地远赴俄勒冈大学拜访交流，学习这套已有的研究经验；但除此之外，从数据深度处理到动力学建模，课题组内再没有同背景的同事可以请教讨论，他必须一边消化吸收前人的制备经验，一边同步发展出属于自己的分析框架与建模体系，在借鉴与创新之间反复摸索、试错、再修正。
这段"重新出发"、且大部分时间"孤军奋战"的经历，让杨易鑫对电池的理解发生了微妙却重要的转变。此前，他更多是从材料设计的角度思考问题——如何调整分子结构、如何优化界面组分；而在伯克利的这段时间里，他开始更加深入地叩问电化学反应本身的物理图景：电荷转移的动力学过程究竟遵循怎样的规律？表观的电化学响应背后，隐藏着哪些更基础的传质与反应机制？这种从"设计材料"到"理解原理"的视角转换，让他对电池科学的认识不再停留在配方与结构，而是触及了更深层的物理化学本质。这份在资源受限的条件下依然沉下心来打基础、且勇于自主建立分析体系的钻研态度，也获得了指导教师的高度评价。
图片 LiCoO₂电极界面动力学研究示意图
值得期待的是，杨易鑫在伯克利开辟的这一方向并未随着访学结束而画上句点。这段工作未来将由课题组的其他同事接续完成，也可能是来自中国的下一位访问学生，有望进一步发表为一篇精彩的研究成果——这也正是国际合作科研的魅力所在：一段访学经历播下的种子，跨越太平洋，仍将在未来生根发芽。
从怀柔研究部的固态电解质分子设计，到伯克利实验室的界面动力学探索，杨易鑫的科研轨迹跨越了两个大陆、两种研究范式，却始终围绕着同一个核心命题：如何让电池变得更安全、更持久、更高效。而贯穿始终的，是国科大"科教融合"与"全球视野"培养理念对一名本科生的托举——早进课题组、真刀真枪做科研，也走出国门、在世界一流实验室中开拓眼界。
从本科课堂到国际期刊论文，从怀柔的分子设计到伯克利的原理探索，杨易鑫的经历展示了一种新的科教融合路径：让年轻学生在真实问题中成长，让扎实的科研训练托举起更广阔的科学视野。而这段探索的起点，正是国科大给予本科生的那份信任与机会。
