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從農村娃到終身教授！他說“讀博千萬別內耗，更別怕麻煩導師”
“如果是為了提高生活質量來讀博，那簡直就是完全錯了！”劉平勸退過好些學生。
在美國加州大學圣地亞哥分校任教的8年里，劉平聽過、見過很多并不喜歡搞研究的學生選擇讀博。從農村一路打拼出來，他很明白高收入的重要性，但他更深知非興趣驅使的科研會產生一系列負向連鎖反應。
做科研是要有松弛感的，劉平很看重這一點，也正是在他的寬嚴相濟下，學生的科研水平突飛猛進，團隊接連獲得了許多重大突破。
最近，劉平團隊更是開創性地解決了困擾固態鋰硫電池很久的難題，研究出可自我修復的固態鋰硫電池。相關研究成果發表在Nature上。
攻克困擾學界多年的難題
新能源汽車的火熱帶動了鋰電池蓬勃發展，從電動汽車到電網儲能，大家都想在全固態電池上尋求突破，一旦成功影響巨大。
固態鋰硫電池是一種可充電電池，由固體電解質、鋰金屬制成的負極和硫制成的正極組成。這種電池有望成為當前鋰離子電池的最佳替代品，因為它們的能量密度更高，而且成本也更低。
“硫這個材料很簡單，沒有復雜的材料化學特性，全世界硫的資源也非常豐富，因此成本非常低廉。固態鋰硫電池最大的優勢在于，其每公斤儲存的能量理論上至少是傳統鋰離子電池的兩倍。換句話說，它們可以在不增加電池組重量的情況下使電動汽車的續航里程翻一倍。”這篇論文的通訊作者劉平在接受《中國科學報》采訪時介紹。
全球研究固態鋰硫電池的團隊比比皆是，很多年下來幾乎都卡在同一個地方，深受硫固有特性的困擾。
早在15年前，劉平就開始著手于用高分子硫化物做固態鋰硫電池的研究，耗時漫長且難出成果。
因為硫本身并不導電，而且硫正極在充電和放電過程中會明顯膨脹，體積變化可以到80%，導致結構損壞和與固體電解質的接觸減少。這些會損害固態電池的整體性能和壽命，影響電荷的穩定傳輸。這兩個問題不解決，全固態鋰硫電池產業可以說是舉步維艱。
這一次，劉平團隊用“碘”打破了這些桎梏，將一切變得完全不一樣了。
在化學里幾乎沒聽說過有硫化碘這種化合物。“但是我們發現，通過將碘分子插入晶體硫結構中，正極材料的電導率竟然提高了11個數量級，由硫和碘組成的晶體導電性比僅用硫制成的晶體高1000億倍。我們發現了一種新的化合物，并且解決了硫是絕緣體的問題。”劉平說。
更重要的是，硫的熔點是100多攝氏度，碘的熔點也類似，但這種新化合物的熔點在65攝氏度左右，比一杯熱咖啡的溫度還低。
這就很有意思了。
現在鋰離子電池里用的電解質是液體，哪怕正極膨脹或收縮也沒關系，液體會流動，跟固體仍可保持完美接觸。但固態電池必須把液體電解質換成固體電解質，性質就完全不一樣了。當正極和固態電解質之間的界面因發生膨脹而損壞時，會生成空隙，離子無法傳輸給電極材料，導致電阻上升，損壞電池。
而這種低熔點的新化合物正好可以解決這個問題。當電池正常工作時，溫度有時就能達到60多攝氏度，正極可以很容易發生熔化，從而讓空隙愈合，自行修復損壞的界面。
為了驗證這種新型正極材料的有效性，研究人員構建了一個測試電池，并對其進行反復充電和放電循環。電池在400多次循環中保持穩定，同時保留了87%的容量。
硫化碘正極材料的發明，讓固態鋰硫電池的研究向前邁進了一大步，為其商業化掃清了最主要的障礙，或將迎來高能量密度固態電池產業的騰飛。
目前，該團隊正在嘗試通過改進電池結構設計和加大電池體積，進一步來推進固態鋰硫電池技術快速發展。
“來學術界從來都不是為了收入”
出生于江蘇農村的劉平，沒有科研氛圍的熏陶，更沒有科研基因的傳承，他的父親只在小學上過幾年學，母親則從未念過書。但他從老師的講述和書籍的內容里對科學家有了一些模糊的印象。
真正對科研萌生興趣是在奮力考上復旦大學后。“復旦的研究氛圍很濃，我們本科生也經常有機會到實驗室去體驗，而且還有各種各樣的學術報告。我在本科階段得到了很好的熏陶。”劉平說。
因為很喜歡這里的氛圍，劉平又繼續留在復旦攻讀碩士和博士。在化學系里，電池是一個很小眾的專業，但劉平對電化學這門學科很有興趣。
事實證明他很有眼光。1991年，索尼公司推出了第一款商用鋰離子電池，從此掀起了鋰離子電池的研究熱。他的博士論文課題就是研究供鋰離子電池使用的負極材料。
取得博士學位后，為了在電化學領域見識更廣，劉平到美國國家可再生能源實驗室做博士后工作，主要研究薄膜鋰電池，并獲得了永久職位。
工作6年后，劉平因家庭原因辭職搬去了加州，在HRL實驗室（通用汽車和波音公司合資的工業實驗室）能源技術部任高級科學家兼經理，管理著一個年度預算超過500萬美元的研究部門，致力于創新多種儲能技術：可充電電池、燃料電池、儲氫和電化學電容器。
9年后，他到美國能源部先進研究計劃署（ARPA-E）擔任項目主任，發起并主導了電動汽車儲能和熱管理技術的研究項目，用于提高能源效率。他負責的總投資超過一億美元。
職場前20多年，他的經歷十分飽滿。雖然換過很多工作，但研究的關注點從未離開過能源材料，也從未離開過電池。
直到2016年，年近50歲的劉平才加入加州大學圣地亞哥分校任副教授，成為一名“半路出家”的老師。不過，學校非常認可他在科研上的造詣，給了終身教職。
兜兜轉轉一大圈，重回學術界，劉平仍舊心懷熾熱。在工業界、政府工作過后，他才發現自己更喜歡學術界，也更喜歡大學校園。
“來學術界從來都不是為了收入，我之前那些工作的薪資可比當大學老師高太多了。但我就是很喜歡教學生，這是一種很愉悅的經歷。而且學校是一個非常有活力的地方，永遠有新的學生、有新的想法。”劉平表示。
對劉平來說，發Nature并不是終點，他做研究的目的是希望科學對生產、生活產生直接影響。
2021年，劉平與他人聯合創立Tyfast公司，初衷就是實現電池商業化。此前，劉平團隊在2020年9月在Nature上發表關于鋰離子負極材料的研究成果，Tyfast公司正在推進其產業化。而這次的固態鋰硫電池研究將迎來更多的發展空間。
“當老師最重要的作品不是論文，而是學生”
讀博時深受導師的影響，劉平非常重視學生獨立能力的培養。
他的導師是中國科學院院士、復旦大學化學系教授吳浩青，同時也是我國電化學領域的奠基人之一。
“吳老從來不給我們安排雜活兒，他把我們的基本功培養好后，都是放手讓我們自己干，在提供充足資源的基礎上，我們想做什么就做什么。更重要的是，他在當時非常超前地提出要做碳負極材料的研究，這個大方向的確立對我之后的科研生涯影響很大。”劉平說。
得到很好的師承，劉平也非常重視對學生的栽培，除了要求學生具備獨立能力外，還要對所研究的問題有興趣。
劉平經常對學生講，“我是在給老師干活，文章寫出來也是老師的”這種觀點不對。他最怕的就是學生把科研當成一個任務去執行，學生應該對自己的科研方向有所掌控，學會獨立自主做科研是進入學術界的“敲門磚”，為后期成為獨當一面的科研工作者做鋪墊。
這篇Nature論文的第一作者周建斌就是自主性很強的學生，劉平笑稱“那是我們團隊的超級永動機”。雖然導師從未要求他什么，但他可以沒日沒夜地做實驗，毅力非凡。“我很欣賞他的科研熱情。但做研究也怕用力過猛，科研需要松弛感，所以我讓建斌可以適時停一停、歇一歇，放松一下，幾天不干活沒關系。”
出身寒門的劉平對于學生在生活、工作中遭遇的困難比較容易共情。很多研究生成了家，每個人都有自己的私事，困難也不盡相同，他知道當學生精神狀態不佳時不一定與研究有關。“我對精神狀態很不好的學生提過這種建議，你目前最好完全停下手上的工作，你甚至可以休息一個星期，嚴重的話，可以休學一個學期。有些困難，硬扛是沒有任何好處的。”
談到學生與導師間的相處，劉平有切身體會。“讀博千萬別內耗，更別怕麻煩導師。有什么想法你不說，老師又如何知曉。每個加入我團隊的學生，我都對他們講，如果研究時得到了負面結果也一定要告訴老師，也許你說的壞消息到了我眼里就是好消息，凡是遇到困難主動來找我的學生，沒有最后做不出來的。”
劉平認為，導師有著很重要的責任，他衡量自己是否稱職有一個不同尋常的標準。“不管學生畢業去工業界還是學術界，只要他們對科研仍能保持熱情，愿意繼續做研究，說明當老師的盡到了責任。如果學生從你這里畢業后，這輩子都不想再搞科研了，那就是我們失職了。”
“當老師，最重要的作品不是論文，而是學生！”
相關論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07101-z
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2637-6
