作者:章佩林,陈雅雯 来源:复旦大学微信公众号 发布时间:2024/6/21 22:46:21
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获得复旦“学术之星”特等奖 他的科研秘密是……

 

日前,复旦大学第十五届“学术之星”特等奖揭晓。高分子科学系硕转博研究生韩善涛凭借在全固态聚合物电解质领域的突破性研究,成为6名获奖者之一。

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“离子电导率低”是全固态聚合物电解质长期面临的“卡脖子”难题,韩善涛代表性科研工作围绕这一问题,以独立第一作者身份,开发阴离子型含氟聚合物电解质,首次阐述高分子序列与离子传导的构效关系,突破全固态聚合物电解质领域的电导率记录,成果发表在全球材料类顶刊Nature Materials。

手机爆炸、新能源汽车自燃背后,电池“失控”往往是主要原因。全固态聚合物电解质有望解决这类安全问题。“全固态聚合物锂电池”是全球范围内电池领域的下一代目标。 

用3年时间

攻坚全固态聚合物电解质难题

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“做科研挺有意思。”2020年,入学高分子科学系2年后,韩善涛申请硕转博,迎来在复旦的博士生生涯。期间,他舍弃研究生前两年积累的大多数研究经验,开启新方向的科学研究——将含氟聚合物合成用于新能源领域研究,重点攻坚“全固态聚合物锂电池”。

在众多聚合物体系中,含氟聚合物有安全性好、稳定性高的优势。然而,我国含氟聚合物市场低端产品过剩,高端依赖进口,亟需国产自研的功能性含氟聚合物材料。在这片新蓝海中开展科学研究,韩善涛既兴奋又胆怯。

弯道超车,韩善涛开始夜以继日地阅读文献,进行实验摸索,与导师陈茂教授敲定研究选题“离子型含氟聚合物”,随后开始一步步“升级打怪”。没有设备,他就调研、选购实验所需仪器;不懂电化学知识,他就广泛阅读专业文献和书籍;组内在电池方面背景薄弱,师兄师姐指不了路,他就重复开展各类实验以探求细节;没有计算模拟经验,他就买教程看视频自学相关原理……

“读文献,做实验”是韩善涛的日常。早上9点到实验室,看文献、做实验、写文章、沟通课题,晚上11点回寝室,锻炼半小时。碰到赶进度,他挤压周末休息,早早来到实验室。

在文献涉猎过程中,他发现文献经常提及离子的均匀分布有利离子传导。什么程度的“均匀”更高效?他开始思考“微观序列结构”与电导率之间的具体关联。“这是一个独特的想法,当时并无相关文献能够提供类似的表征借鉴。”合成、表征、测试,他研究高分子序列与离子传导之间的微观联系,提出交替序列促进离子传导的新机制,实现全固态聚合物电解质电导率的大幅提升。

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2023年10月,他的研究论文“Sequencing Polymers to Enable Solid-State Lithium Batteries”(注:《聚合物序列研究以实现固态锂电池》),发表在Nature Materials上。

“做科研如大海行舟”

2018年,韩善涛成为复旦大学高分子科学系一名硕士生。彼时,他的导师陈茂教授加入复旦大学仅两年。七八个年轻人,在年轻的课题组里遨游科研世界。


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▲韩善涛(右)与导师(左)合照


在导师的指引下,韩善涛对组内的空白方向“含氟聚合物自组装”展开研究。在实验初期,他就经历了3个月的实验瓶颈,尝试文献中的各种方法,得不到预期实验结果。

一天,他照常来到实验室,不巧用于聚合实验的光源都在使用中。韩善涛随手将光照聚合的反应瓶放置在窗台边,第二天意外发现反应溶液变得异常浑浊。这个反应现象让他激动不已。随后,他对溶液进行分析表征,发现是太阳光(弱光)促使形成全新形貌的树莓状含氟纳米粒子。

通过研究形成机理,他产出学术生涯的第一篇科研成果,发表在英国皇家化学会旗舰期刊Chemical Science(注:《化学科学》)。“这段经历让我燃起科研兴趣。我意识到科研注重细微之处。要善于发现。”

写作《聚合物序列研究以实现固态锂电池》论文,累计超过150次的文章修改编号,见证了团队对实验、文字、图表的反复打磨。经历上百次课题讨论,成功投稿。

一个多月后,针对文中的模拟计算,审稿人提出大量理论计算问题。“这些问题超出我的知识范围,我无法理解并回答这些专业问题。”导师陈茂为韩善涛提供专业资料和网课培训。去年“五一”前后,韩善涛在江湾图书馆连续泡15天,恶补基础模拟知识,寻找解决策略。

历经3个月的推敲修改,韩善涛所在的课题组团队提交1.5万余字、50余页的回复意见,得到审稿人的一致认可。在收到接收邮件时,韩善涛紧绷着的弦松弛下来。回首那段时光,他说,“那是一段挑战自我的时光。我切身体验到‘万丈高楼平地起’的艰辛和‘梅花香自苦寒来’的成就感。”

除了开发结构创新的阴离子型含氟聚合物,韩善涛还开发了新型结构的阳离子型含氟聚合物电极涂层,实现10 C倍率下3900圈的锂金属电池充放电循环,单次充放电可在4-6分钟内进行,助力电池实现更久的使用寿命。相关成果发表于国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition,被杂志评为VIP论文。

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▲韩善涛参加学术会议墙报展示


在复旦的6年间,韩善涛累计发表SCI论文11篇,其中独立第一作者论文4篇,还以学生第一作者申请国家发明专利4项。走出实验室,他在国内外学术会议报告7次,荣获RSC Rising Star(注:英国皇家化学会化学新星)荣誉称号。

在他看来,“做科研如大海行舟”。在前中期,利用知识储备驻船,巩固基础;出行后,持续努力,为出行提供动力。“你可以永远期待航行后的惊喜,收获‘长风破浪会有时,直挂云帆济沧海’的喜悦。”

在复旦

最熟悉的地方是导师办公室

当被问及,“在复旦最熟悉的地方是哪里?”韩善涛的回答是:“导师办公室”。

韩善涛和陈茂教授的日常交流非常频繁,几乎是平均每天一次。“导师经常跟我们说,做科研要安、专、迷——安得下心、专心致志、迷恋至深。”有时韩善涛对实验小细节死抠不放,陷入钻牛角尖时,导师总能为他指明大方向。

高分子合成偏“体力活”、产出慢,需要科研工作者甘坐冷板凳。韩善涛的研究方向难度大、工作强度大,长时间的研究和屡试屡败的实验打击下,容易疲惫麻木。导师常常从情和理上督促。

科研路上会遇到许多艰难险阻,有时候会在航行中迷失方向。“陈茂老师总能作为经验丰富的船长,及时引路,帮助实现有效航行。”

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目前,韩善涛在推进离子型含氟聚合物的电解质研究的产品化和成果转化工作。“一点点靠近目标,是我非常享受的科研状态。”不久后,韩善涛将以博士后的身份,继续从事高分子等方面的科学研究。


 
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