高悦：请机器人喝杯“奶茶”
从小分子药物合成、疫苗研制，到锂电池设计、3D打印材料、人工智能和机器人研究。复旦大学青年研究员、国家重点研发计划首席青年科学家高悦的研究范围“跨界颇大”。正是这种纵横捭阖的研究方式，让他在“跨界创新”中收获了诸多惊喜。近日，在“2023复旦大学管理学院瞰见新青年大会”上，高悦自豪地宣称，想请机器人喝杯“奶茶”。
(资料图片仅供参考)
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高悦。复旦管院供图
驯服材料“爆脾气”
随着智能电子设备的迭代更新，人们对电池安全性、容量和充电速度的追求越来越高。
“电池等储能设备已经在我们生活中扮演着重要角色，各种智能设备、电动汽车、风光电网都会用到储能设备。在这样的趋势下，我们希望得到能量密度更高、充电时间更短、资源环境可持续的电池。”高悦说。
博士研究期间，高悦即把目光聚焦在电池的能量密度上。他发现电池的能量密度和材料稳定性之间难以两全其美，简单说，性质稳定的材料能量密度较低，而能量密度高的材料“脾气火爆”——界面和体积变化大，会造成界面负反应导致电池不稳定。
在传统方法难以解决储能电池稳定性和安全性要求的情况下，高悦将目光锁定在“有机高分子化学”上。借助有机高分子材料致密度高、机械性能好等优势，他们创新性地将有机高分子材料引入电池固态电解质界面膜设计之中，以此“驯服”脾气“火爆”的高能量密度电池。
“传统的材料表面有一层颗粒，就像我们炸带鱼时表面裹的淀粉，非常容易脱落，这对保护层非常不利。”高悦解释说，“为让材料界面更稳定，我们为这种材料设计了专用的‘保鲜膜’。把它贴在电池表面，就能在充放电的动态过程中对电池结构起到保护作用。”
膜材料做好后，研究人员还进行了纳米尺度表征，从纳米尺度解析这种膜到底长什么样子，有什么结构，并从结构来反推它的性质。最后在实验中，贴上这种“保鲜膜”的电池实现了200圈安全稳定的循环，比对照样品使用寿命提高了10倍。
降低电池膨胀率
此后，高悦的研究范围又从钮扣电池扩展到笔记本、手机电池，他们设计了各种新电池体系来稳定界面。实际应用中，研究人员又遇到了新问题——多次充放电循环会导致电池膨胀。
电池膨胀会带来很多问题，比如在手机、手表、VR产品等电子设备中，膨胀会缩短电池使用寿命，挤压其他电子器件、甚至出现爆炸起火的情况。早期的三星手机就屡次发生电池爆炸着火事故。
怎么解决这一问题？高悦又想到博士后期间学到的3D打印技术。他设计出一种3D结构，能让锂“乖乖”沉积在这种结构中，从而得到电池无膨胀稳定循环状态。
对比试验表明，使用这种3D打印结构的电池，膨胀率只有7%（普通电池膨胀率大于200%），低于主流商用电池膨胀率10%的标准。
为机器人沏杯“奶茶”
在很多场景下，机器人、无人机、水下潜航器常常面临充电大半天，工作半小时的窘境。
“电池已经成为智能时代发展的‘掣肘’因素。”高悦解释说，“如果我们把电池做成了一个‘机器人胃’，给它‘喝’杯特制的‘奶茶’，就能在1分钟里把其中的能量转化为电能，实现持续工作。”
高悦的思路很简明，给机器人装上一个特殊的“胃”，再给它提供一种“奶茶”（液体电池）。让机器人像人们喝奶茶补充能量一样，在没电的时候喝一杯，然后把“奶茶”中的能量转化为电能，驱动机器人工作。
“这样做的好处是，喝‘奶茶’的过程很快，一两分钟就能完成；而常规的电池充电需要4至12个小时，这样我们就解决了大块的充电等待时间。”高悦说，“此外，从技术上看，‘奶茶’的能量密度可以做得很高，比现在的电池能量密度高两倍，使用时间也会长两倍。”
目前，高悦团队研制的“奶茶”已经在无人机等智能设备上获得初步验证。该团队在复旦大学江湾校区进行无人机试飞，发现这种“奶茶”可以让无人机飞行41分钟，而商用电池只能飞20分钟。
“喝1分钟‘奶茶’能飞40分钟。”高悦分析道，“这样我们就能实现无人机95.8%的时间都能工作。而且，很多特殊场景下无法充电，但带杯‘奶茶’就方便多了。”
目前，高悦团队正努力打造一个“能量闭环”。即，机器人、机器狗等喝完“奶茶”，其排泄物还可以回收，再通过电化学方式进行处理成为新的饮料，从而大大降低饮料价格。
此外，高悦团队还对开发纯有机、以生物质为原料的电池（目前电池都是有污染的无机材料）颇有兴趣；他们还在考虑开发极限场景（救火、深海等）中使用的电池。
看来，高悦团队还要“跨越”很多新“疆界”。
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