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從小分子藥物合成、疫苗研制，到鋰電池設計、3D打印材料、人工智能和機器人研究。復旦大學青年研究員、國家重點研發計劃首席青年科學家高悅的研究范圍“跨界頗大”。正是這種縱橫捭闔的研究方式，讓他在“跨界創新”中收獲了諸多驚喜。近日，在“2023復旦大學管理學院瞰見新青年大會”上，高悅自豪地宣稱，想請機器人喝杯“奶茶”。
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高悅。復旦管院供圖
馴服材料“爆脾氣”
隨著智能電子設備的迭代更新，人們對電池安全性、容量和充電速度的追求越來越高。
“電池等儲能設備已經在我們生活中扮演著重要角色，各種智能設備、電動汽車、風光電網都會用到儲能設備。在這樣的趨勢下，我們希望得到能量密度更高、充電時間更短、資源環境可持續的電池。”高悅說。
博士研究期間，高悅即把目光聚焦在電池的能量密度上。他發現電池的能量密度和材料穩定性之間難以兩全其美，簡單說，性質穩定的材料能量密度較低，而能量密度高的材料“脾氣火爆”——界面和體積變化大，會造成界面負反應導致電池不穩定。
在傳統方法難以解決儲能電池穩定性和安全性要求的情況下，高悅將目光鎖定在“有機高分子化學”上。借助有機高分子材料致密度高、機械性能好等優勢，他們創新性地將有機高分子材料引入電池固態電解質界面膜設計之中，以此“馴服”脾氣“火爆”的高能量密度電池。
“傳統的材料表面有一層顆粒，就像我們炸帶魚時表面裹的淀粉，非常容易脫落，這對保護層非常不利。”高悅解釋說，“為讓材料界面更穩定，我們為這種材料設計了專用的‘保鮮膜’。把它貼在電池表面，就能在充放電的動態過程中對電池結構起到保護作用。”
膜材料做好后，研究人員還進行了納米尺度表征，從納米尺度解析這種膜到底長什么樣子，有什么結構，并從結構來反推它的性質。最后在實驗中，貼上這種“保鮮膜”的電池實現了200圈安全穩定的循環，比對照樣品使用壽命提高了10倍。
降低電池膨脹率
此后，高悅的研究范圍又從鈕扣電池擴展到筆記本、手機電池，他們設計了各種新電池體系來穩定界面。實際應用中，研究人員又遇到了新問題——多次充放電循環會導致電池膨脹。
電池膨脹會帶來很多問題，比如在手機、手表、VR產品等電子設備中，膨脹會縮短電池使用壽命，擠壓其他電子器件、甚至出現爆炸起火的情況。早期的三星手機就屢次發生電池爆炸著火事故。
怎么解決這一問題？高悅又想到博士后期間學到的3D打印技術。他設計出一種3D結構，能讓鋰“乖乖”沉積在這種結構中，從而得到電池無膨脹穩定循環狀態。
對比試驗表明，使用這種3D打印結構的電池，膨脹率只有7%（普通電池膨脹率大于200%），低于主流商用電池膨脹率10%的標準。
為機器人沏杯“奶茶”
在很多場景下，機器人、無人機、水下潛航器常常面臨充電大半天，工作半小時的窘境。
“電池已經成為智能時代發展的‘掣肘’因素。”高悅解釋說，“如果我們把電池做成了一個‘機器人胃’，給它‘喝’杯特制的‘奶茶’，就能在1分鐘里把其中的能量轉化為電能，實現持續工作。”
高悅的思路很簡明，給機器人裝上一個特殊的“胃”，再給它提供一種“奶茶”（液體電池）。讓機器人像人們喝奶茶補充能量一樣，在沒電的時候喝一杯，然后把“奶茶”中的能量轉化為電能，驅動機器人工作。
“這樣做的好處是，喝‘奶茶’的過程很快，一兩分鐘就能完成；而常規的電池充電需要4至12個小時，這樣我們就解決了大塊的充電等待時間。”高悅說，“此外，從技術上看，‘奶茶’的能量密度可以做得很高，比現在的電池能量密度高兩倍，使用時間也會長兩倍。”
目前，高悅團隊研制的“奶茶”已經在無人機等智能設備上獲得初步驗證。該團隊在復旦大學江灣校區進行無人機試飛，發現這種“奶茶”可以讓無人機飛行41分鐘，而商用電池只能飛20分鐘。
“喝1分鐘‘奶茶’能飛40分鐘。”高悅分析道，“這樣我們就能實現無人機95.8%的時間都能工作。而且，很多特殊場景下無法充電，但帶杯‘奶茶’就方便多了。”
目前，高悅團隊正努力打造一個“能量閉環”。即，機器人、機器狗等喝完“奶茶”，其排泄物還可以回收，再通過電化學方式進行處理成為新的飲料，從而大大降低飲料價格。
此外，高悅團隊還對開發純有機、以生物質為原料的電池（目前電池都是有污染的無機材料）頗有興趣；他們還在考慮開發極限場景（救火、深海等）中使用的電池。