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tiến lên miền nam:带领团队探索电池新体系,北京理工大学教授黄佳琦—— 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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  人物简介:

  黄佳琦,1984年出生,2003年至2012年在清华大学化学工程系学习,获得工学学士及博士学位,2016年8月,以预聘副教授加入北京理工大学“人才特区”前沿交叉科学研究院,2019年晋升为长聘教授,主要开展高比能电池能源化学研究。

  前不久,黄佳琦摘得第十七届中国青年科技奖特别奖。该奖项两年颁布一次,特别奖只授予10人。

  随着动力锂电池产业快速发展,目前商用锂离子电池能量密度已经接近理论极限。为了在未来产业竞争中赢得先机,国际科学家正寻找有价值的下一代电池新体系。得益于一批科研人员的努力,在这条新赛道上,无论在基础研究还是应用探索上,我国都走在世界前列。黄佳琦就是其中的佼佼者。

  破解锂硫电池应用关键瓶颈,开展高质量的原创工作

  做高比能电池,黄佳琦说自己恰逢其时。读博士时,他研究碳纳米材料,还开发了超长碳纳米管制备的新方法,科研成绩不俗。2011年,博士阶段的最后一年,他萌生了一个强烈的念头:将研究成果向应用推进一步。

  那时,学术界希望寻找到能量密度更高、成本更低、使用寿命更长的新体系电池,锂硫电池被认为是新体系电池重要发展方向之一。

  黄佳琦向记者解释他最初的计划:“硫绝缘,电极的导电性就差,从电极材料基本性质入手,我想借助碳纳米管优异的导电性,打通锂硫电池应用的一个堵点。”

  锂硫电池走向实用,两个关键瓶颈摆在科研人员面前:正极动力学缓慢,怎么解决?负极界面不稳定,如何应对?破题,必须搞清楚锂硫电池的反应原理,从根子上着手。

  “就像只有熟悉了树干,才能了解一棵树的全貌。处理导电性等问题,不过是在树枝上纠缠。”带着探索“树干”的想法,黄佳琦决定“追本溯源”——开展锂硫电池能源化学基础研究。

  挑战接踵而至,由于是全新的电池体系,国际上还缺乏完整的研究范式,从设计实验方法、测试方案再到分析数据,一切都从零起步。

  一头扎进去近10年后,黄佳琦一步步接近答案: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,从有到优,又提出锂硫电池催化剂设计新方法。之后,进一步揭示了锂硫电池金属锂负极固液界面不稳定的机制。

  “科研、科研、科研。”这个词,黄佳琦重复了三次。他说,自己的生活很简单,成天“泡”在实验室,不过时刻有科研新想法,日子过得充实又高兴,并不觉得累。

  凭借一系列出色研究,黄佳琦团队获得国际同行广泛关注,相关论文成为所在领域的重要文献。30多岁,黄佳琦已跻身国际锂电池研究领域知名学者之列。

  今年8月,黄佳琦的工作——“锂硫电池电催化原理与方法”获得中国颗粒学会自然科学一等奖。“学界的肯定是该项工作阶段性总结”,他说,虽然还有很多工作要做,但“自己准备闯入新的无人区”,开展高质量的原创工作。

  既当专家又当“工匠”,国家需求是团队快速成长的关键

  黄佳琦说的新的“无人区”,其中一个是完成锂硫电池应用验证。

  化学工程的研究,讲究“以大为美”,这锤炼了黄佳琦对科研的“审美”:“如果往实用方向上推进一步,工作便更完美。”

  做出小电池样品和设计出商用大电池,虽然合成路径相似,但实用化试制涉及工艺验证、参数调整等很琐碎的工作,令很多人望而却步。

  “做科研不是自娱自乐。”与清华大学团队合作,黄佳琦带领团队既当专家又当“工匠”,一遍遍煅烧、打磨、测试样品,关关难过关关过,解决了锂硫电池规模化生产的技术、工艺卡点,为未来实用化打下了坚实的基础。

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  黄佳琦是一个名副其实的“学霸”。博士期间,他摘得2011年度清华大学特等奖学金。独立做科研后,又带领团队接连攻克难题。

  “做科研有什么绝招?” 记者问他。

  “必须理解所研究的问题,准确判断它的发展方向。”黄佳琦回答,科研其实是个笨功夫,自己也有进展不顺利的时候,但因为基础打得扎实,读的文献多,知道这是一个真问题。“认准大方向,看到了国家的需求,我们就有信心克服前进路上的困难。”

  当前,新体系电池研究方兴未艾,黄佳琦步履不停。近些年,着眼锂电池未来5至10年的技术需求,黄佳琦布局了多个前沿课题:锂金属电池、锂电池高效快充、智能传感和安全储能……他和团队一次次引领前沿,取得丰硕成果。

  以锂金属电池为例,由于负极比容量高等优势,锂金属电池是下一代高比能电池的有力竞争者。针对锂金属电池工程化遇到的界面不稳定、存在安全隐患等痛点,黄佳琦带领团队深入解析原理,解决应用的“卡脖子”问题。他指导博士生闫崇提出了锂金属固液界面反应中的双电层效应,受到学界广泛认可,为构建固液界面形成过程的完整链条提供了新视角。

  近年来,黄佳琦迎来了收获期。2018至2022年,他连续5年入选科睿唯安全球高被引科学家,其中2021至2022年同时在材料科学和化学领域入选。

  “我很幸运,赶上科技创新的黄金年代,契合着国家的需求,找到了自己的研究兴趣,充分施展了科研能力。”回顾10年科研经历,黄佳琦认为,我国新能源产业的发展需求,是自己和团队快速成长的关键。

  不同材料构成的电池体系,自然禀赋各不相同,适用的应用领域千差万别。黄佳琦说,双碳目标驱动下,我国发展新能源技术更加迫切,团队将紧跟国家需求,找准应用场景,力争将积累的成果为生产生活服务。

  学生成长成才,是最高兴的事情

  在学生眼里,黄佳琦既是老师,也是贴心的好兄长。

  得益于北京理工大学的资助政策,2016年入职后,黄佳琦便快速组建起学术团队。许睿是他入职北京理工大学后带的第一个硕士研究生。黄佳琦向许睿介绍自己研究的课题前景,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。”许睿回忆与老师初次见面的场景。

  跟着黄佳琦读博士期间,许睿在金属锂电池领域取得了多项创新成果。今年6月,还获得北京理工大学学生最高荣誉——徐特立奖学金,该奖项每年仅授予5名博士生。

  2018年,许睿独立完成了第一个研究工作,但在发表论文时却并不顺利,连续被两家学术期刊拒稿。他正沮丧时,黄佳琦肯定了他研究的原创性,认为质量非常高。经过不断完善,论文发表后影响力很大,5年内被20多个国家的科研工作者引用400余次,这极大增强了许睿的科研自信。

  闫崇是黄佳琦第一位博士生。2015年8月,他在清华大学化学工程系访学,原本计划两年后回河南师范大学工作。看中他的科研潜力,黄佳琦鼓励他到北京理工大学跟自己读博。

  在北京理工大学,闫崇的科研能力得到充分施展,只用3年便拿到博士学位,比培养计划提前1年。之后,经黄佳琦推荐,到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年至2022年,闫崇连续两年入选科睿唯安全球高被引科学家,成为锂电池研究领域的新星。

  “看到学生成长成才,是我教学科研工作中最高兴的事情。”黄佳琦表示。

  只要有出国交流的机会,黄佳琦都会鼓励学生申请,积累国际学术交流经历。一次,闫崇希望去瑞典参加一个为期两个月的访学。然而,昂贵的机票让他犯了难。向老师说明顾虑后,黄佳琦二话没说当即表示给予支持。“在黄老师心中,学生的成长永远是第一位的。”

  采访中,黄佳琦提到自己的导师——清华大学魏飞教授对自己的影响。“魏老师支持学生自由探索,只要学生把想干的事情想通了,就给予我们全力帮助。”黄佳琦说,带学生,自己传承的是老师的理念。

  平等交流、相互帮助,黄佳琦和学生一起成长。刚到北京理工大学时,黄佳琦急需搭建自己的实验室,其中很多设备都是他和学生一件件挑选、装配起来的,“我们像一个白手起家的创业团队,是一个战壕中的战友。”

  这些年,黄佳琦的团队逐渐壮大,已经从两三人发展到一支30多人的创新团队。受北京理工大学“青年科学家工作室”项目的支持,黄佳琦还正联合具有交叉学科背景的青年团队,面向国家需求,不断开展新的探索。

  放眼未来,黄佳琦认为,国家需求为新能源发展提供了强劲动力。当前,国内科研条件和生态正在迅速提升,人才自主培养质量越来越高,为青年人才的发展提供了更大舞台。

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