紧跟国家需求做科研科技视点·科技自立自强青年奋勇担当②
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个人资料:
黄嘉琪,1984年出生,2003年至2012年就读于清华大学化工系,获工学学士和博士学位。2016年8月加入北京理工大学“人才特区”前沿交叉学科研究院,任预聘副教授,2019年晋升为长期教授,主要从事高比能量电池的能量化学研究。
不久前,黄嘉琪获得了第17届中国青年科技奖。该奖每两年颁发一次,特别奖只授予10人。
随着动力锂电池行业的快速发展,商用锂离子电池的能量密度已经接近理论极限。为了在未来的产业竞争中赢得先机,国际科学家正在寻找有价值的下一代电池新系统。由于一批研究人员的努力,中国在这一新领域的基础研究和应用探索方面都处于世界前列。黄嘉琪是其中的佼佼者。
打破锂硫电池应用关键瓶颈,开展高质量原创工作。
要成为高比能量电池,黄嘉琪说他正处于合适的时机。读博士时,他研究碳纳米材料,开发了一种制备超长碳纳米管的新方法。他的科研成果很好。2011年,他博士学位的最后一年,他有一个强烈的想法:将研究成果进一步推向应用。
当时学术界希望找到能量密度更高、成本更低、寿命更长的新体系电池,锂硫电池被认为是新体系电池的重要发展方向之一。
黄嘉琪向记者解释了他最初的计划:“硫绝缘导致电极导电性差。从电极材料的基本特性入手,我想利用碳纳米管优异的导电性,打通锂硫电池应用中的一个堵点。”
锂硫电池走向实用化,研究人员面临两个关键瓶颈:阴极动力学慢,如何解决?阳极接口不稳定,如何处理?要解决问题,必须了解锂硫电池的反应原理,从根源入手。
“就好像只有熟悉树干,才能知道一棵树的全貌。处理导电性之类的问题,不过是树枝上的纠缠。”抱着探索“树干”的想法,黄嘉琪决定“追根溯源”——开展锂硫电池能量化学基础研究。
挑战接踵而至。因为是全新的电池系统,国际上还缺乏一个完整的研究范式。从设计实验方法、测试方案到分析数据,一切从零开始。
经过近10年的暴跌,黄嘉琪一步步逼近答案:2016年,从无到有,提出了催化剂加速锂硫电池反应动力学新原理;2019年提出了锂硫电池催化剂设计的新方法。之后,进一步揭示了锂硫电池金属锂阳极固液界面不稳定的机理。
“科研,科研,科研。”黄嘉琪把这个词重复了三次。他说他的生活很简单。他把所有的时间都花在实验室里,但他总是对科学研究有新的想法。他过着充实快乐的生活,不觉得累。
凭借一系列出色的研究,黄嘉琪团队获得了国际同行的广泛关注,相关论文成为其所在领域的重要文献。三十多岁的黄嘉琪已经成为世界锂电池研究领域的著名学者之一。
今年8月,黄嘉琪的作品——《锂硫电池的电催化原理与方法》获得中国粒子学会自然科学一等奖。“学界的肯定是对这项工作的阶段性总结。”他说,虽然还有很多工作要做,“我已经准备好闯入一个新的无人区”,进行高质量的原创工作。
既是专家又是“匠人”,国家需求是团队快速成长的关键。
黄嘉琪提到的新“无人区”之一就是完成锂硫电池的应用验证。
化学的研究讲究“以大为美”,锤炼了黄嘉琪的科研“美学”:“如果我们在实用的方向上推进,我们的工作就会更加完美。”
虽然制作小电池样品和设计商用大电池的合成路径大同小异,但实际试制涉及到工艺验证、参数调整等琐碎工作,让很多人望而却步。
“做科研不是自娱自乐。”与清华大学团队合作,黄嘉琪带领团队既当专家又当“工匠”,一遍遍煅烧、抛光、测试样品,关都难关,解决了锂硫电池大规模生产的技术和工艺难题,为今后实用化打下了坚实基础。
黄嘉琪是名副其实的“校长”。博士期间获得2011年清华大学特别奖学金。做了独立研究后,他带领团队攻克了一个又一个难题。
"我们必须了解所研究的问题,并准确判断其发展方向."黄嘉琪回答说,科学研究其实是一种愚蠢的努力,他自己也有进步不顺利的时候,但因为打下了扎实的基础,看了大量的文献,他知道这是一个现实的问题。“看大方向,看国家需求,我们有信心克服前进道路上的困难。”
目前,新系统电池的研究方兴未艾,黄嘉琪继续前行。近年来,围绕未来5到10年锂电池的技术需求,黄嘉琪布局了多个前沿课题:锂金属电池、锂电池高效快速充电、智能传感和安全储能……他和他的团队一次次引领前沿,取得丰硕成果。
以锂金属电池为例,锂金属电池由于负极比容量高,是下一代高比能量电池的有力竞争者。针对锂金属电池工程化遇到的接口不稳定、安全隐患等痛点,黄嘉琪带领团队深入剖析原理,解决应用中的“卡脖子”问题。其博士生导师严冲提出了锂金属固液界面反应中的双电层效应,得到了学术界的广泛认可,为构建固液界面形成过程的完整链条提供了新的视角。
近年来,黄嘉琪迎来了收获期。2018-2022年连续五年入选科瑞威安全球高被引科学家,其中2021-2022年入选材料科学和化学领域。
“我很幸运,赶上了科技创新的黄金时代,满足了国家的需求,找到了自己的研究兴趣,充分发挥了自己的研究能力。”回顾10年的科研经历,黄嘉琪认为,中国新能源产业的发展需求是他本人及其团队快速成长的关键。
不同材料制成的电池系统自然禀赋不同,适用的应用领域千差万别。黄嘉琪表示,在双碳目标的推动下,中国发展新能源技术更加迫切。团队将紧扣国家需求,找准应用场景,努力用积累的成果服务于生产生活。
学生成长为人才是最幸福的事。
在学生的眼里,黄嘉琪既是老师又是亲密的兄弟。
得益于北京理工大学的资助政策,黄嘉琪在2016年加入公司后,迅速组建了一支学术团队。许睿是他加入北京理工大学后的第一个硕士研究生。黄嘉琪向许睿介绍了他的研究项目前景,并邀请他加入团队。“黄老师很亲切。我们像同龄人一样交流,聊得很开心。”许睿回忆起他和老师的第一次见面。
在黄嘉琪攻读博士期间,许睿在锂金属电池领域做出了许多创新。今年6月,我还获得了北京理工大学学生的最高荣誉——徐特立奖学金,该奖学金每年只颁发给5名博士生。
2018年,许睿独立完成了第一项研究工作,但发表论文时并不顺利。他连续被两家学术期刊拒绝。当他沮丧的时候,黄嘉琪肯定了他研究的独创性,认为质量很高。经过不断完善,论文发表后影响力巨大,5年间被20多个国家的科研人员引用400多次,极大地增强了许睿的科研自信。
阎崇是黄嘉琪的第一个博士生。2015年8月在清华大学化工系考察,原计划两年后回河南师范大学工作。黄嘉琪看中了他的科研潜力,鼓励他到北京理工大学攻读博士学位。
在北京理工大学,阎崇的科研能力得到了充分的展示,短短三年就拿到了博士学位,比培养计划提前了一年。之后,在黄嘉琪的推荐下,他去清华大学做博士后研究,并入选国家博士后创新人才支持计划。2021-2022年,颜冲连续两年入选科瑞威安全球被引科学家,成为锂电池研究领域的新星。
“看着学生成长成才,是我在教研工作中最开心的事。”黄嘉琪说。
只要有机会出国交流,黄嘉琪会鼓励学生申请并积累国际学术交流经验。有一次,阎崇希望去瑞典参加一个为期两个月的访问。然而,昂贵的机票让他很为难。在向老师解释了他的担忧后,黄嘉琪二话没说,立即表示了支持。“在黄老师心中,学生的成长永远是第一位的。”
在采访中,黄嘉琪提到了他的导师清华大学教授费薇的影响。“魏老师支持学生自由探索。只要学生想清楚了自己想做什么,就会全力帮助我们。“黄嘉琪说,和学生在一起,他继承了老师的理念。
平等互助,黄嘉琪与学生一起成长。刚到北理工的时候,黄嘉琪急需建立自己的实验室,很多都是他和他的学生一个个挑选组装的。“我们就像一个白手起家的创业团队,一个战壕里的战友。”
近年来,黄嘉琪的团队从两三个人逐渐成长为30多人的创新团队。在北京理工大学“青年科学家工作室”项目的支持下,黄嘉琪也在与具有跨学科背景的年轻团队一起,面向国家需求,不断进行新的探索。
展望未来,黄嘉琪认为,国家需求为新能源的发展提供了强大的动力。目前国内科研条件和生态在快速改善,人才自主培养质量越来越高,为青年人才发展提供了更大的舞台。
人民日报
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