来源丨科学网
当袁欣彤将50页的回复信寄给Nature审稿人时，她从未想过自己的论文会登上Nature封面。这个来自山东的直爽开朗的女孩现在是美国加州大学洛杉矶分校博士三年级的学生，她的导师也是该校工程学院化学工程系的助理教授李煜章，同样是一名“90后”。
对于论文登上Nature封面，袁欣彤除了喜悦外，更多的是感到“不敢相信”。她说，论文的发表只是意味着当前课题的结束，但在接下来的科研生涯中，她将继续踏踏实实地开展每一个研究课题。她认为，“失败是成功之母”，在这篇“成功”论文中，反而是展示了实验中失败的部分，这是她在整个研究过程中最大的收获。
袁欣彤在实验室（受访者供图，下同）
这篇于8月2日登上Nature封面的论文，题为《独立于SEI形成的多面体锂的快速沉积》，主要围绕锂金属电池展开相关工作。
你是否曾经听说过锂电池？我们每天使用的手机和电动车都离不开锂离子电池的帮助。它采用了锂离子嵌入石墨电极的方法进行储能。但还有一种与锂有关的电池，名为锂金属电池，它通过将锂离子电沉积并还原成锂金属来储能，这种电池内含大量的金属态锂。锂金属电池有着理论容量大、能量密度高的优点，因此在未来有着非常大的开发潜力。然而，目前它还处于研发的初级阶段，存在许多问题。其中最主要的两个问题就是它的循环寿命短暂以及安全性差。这些问题的出现，很大程度上是因为锂金属的沉积行为难以控制。袁欣彤在接受《中国科学报》采访时表示，通常情况下，随着锂金属的沉积，其表面会形成一层结构复杂的固态电解质界面（SEI）。这一层SEI的存在使得锂金属的沉积过程变得异常复杂。受SEI的影响，锂金属的沉积机理最终会形成类似树枝一样的“枝晶”。这些枝晶在电池中生长，不仅会消耗大量的锂金属，也会破坏电池的结构，从而影响电池的使用寿命和安全性。
在研究者李煜章的指导下，袁欣彤采用了备受瞩目的冷冻电镜技术来开展这项研究。冷冻电镜技术，荣获2017年诺贝尔化学奖的荣誉，如今在生命科学领域大放异彩。此项技术的历史性应用，源自李煜章与其博士期间的导师、美国斯坦福大学的教授崔屹，他们率先将冷冻电镜技术引入材料科学领域，并首次揭示了锂枝晶的原子级结构图像。在这个新的研究中，如何精准调控锂金属的电沉积，成为了袁欣彤和李煜章关注的焦点。有一天，当他们在显微镜前潜心观察时，一个颠覆性的想法闪现：如果将锂金属的沉积过程与SEI的形成过程剥离，是否就能更深入地理解锂金属的沉积过程呢？这个大胆的想法引领了他们的实验。袁欣彤利用超微电极进行了锂金属的快速沉积，成功打破了SEI的束缚。结果超出了他们的预期：锂金属的沉积竟然形成了一致的均匀菱形十二面体。袁欣彤深知，相较于过去“无法控制的枝晶”，这种稳定的沉积方式预示着均匀脱附的可能性，从而有望实现出色的循环性能。这个发现不仅为锂金属的沉积过程带来了新的理解，也开启了一个全新的研究方向，对于电池科技的发展具有深远的启示意义。
袁欣彤向记者透露了一个颠覆常识的发现：“这一结果虽然看似出人意料，但却与上世纪经典晶体学理论对锂作为体心立方晶胞结构的预测相吻合。”她最初认为这种“完美的菱形十二面体”只是偶然现象。然而，经过在不同电解液和集流体基底上进行的多次尝试，她惊奇地发现显微镜下依然呈现出完美的菱形十二面体。这表明这种现象具有普适性，并不受电解液化学和集流体基底性质的影响。这一发现不仅彻底颠覆了人们对锂金属沉积的传统观念，更为锂电池的性能提升开启了一个全新的思路。这一突破性研究成果将为电池科技领域带来革命性的改变，并有望为电动汽车、移动设备等领域的能源储存和供应提供更加高效、可持续的解决方案。
“直到现在，一切看起来都十分美好。我们偶然发现了这个华丽的结构，仿佛是电解液和集流体基底上的一颗璀璨明珠，它让我们激动不已，憧憬着能借助它提升电池的性能，比如追求更高的库仑效率、更长的循环寿命等。回忆起当时的情景，袁欣彤的脸上洋溢着无法掩饰的喜悦。然而，当研究的最后一步即将揭开完美的面纱时，事情却开始出现了意外。实验的最后一步，是验证这个“完美结构”在电池中的实际表现。然而，实验结果却让所有人感到了惊愕——性能糟糕透顶。不论我们如何调整参数，优化性能都显得困难重重。在这个看似无懈可击的结构中，存在一个致命的问题。在菱形十二面体的下方，隐藏着一条狭窄的“通道”，阻碍了十二面体与集流体的紧密接触，导致库仑效率低下。这让我们不禁怀疑，我们整个研究的意义何在？袁欣彤坦言道。每每回想起这段经历，袁欣彤都会感到一种挫败感。这个明明看起来很美好的发现，在应用上却是一败涂地。每当我们向同行讲述这项工作时，她都会感到信心不足——这样的论文投出去，真的会被接受吗？这个疑问始终萦绕在她的心头，挥之不去。”
冷冻电镜下的锂离子，成为课题组通用的“大拇哥”表情包
最终，袁欣彤下定决心，要让她的导师在论文中充分展示研究中的“失败”。她深知，“完美结构”在实际应用上的缺陷是藏不住的。于是，她尝试解析快充电池为何会失效，机制是什么。“这是我此次研究的最大成果，”袁欣彤坦言，“作为科研人员，我们不只是要展示成功的实验数据，失败的数据同样重要。失败是我们付出的证明，是推动研究进程的重要一环。”为了充分展示这些“失败之处”，袁欣彤与审稿人展开了激烈而有益的互动。首次回应审稿意见时，面对审稿人提出的近30个问题，她撰写了一封50页的回应信。在第二轮审稿时，她又撰写了25页的回应信。在近半年的三轮审稿、修订和回应过程中，课题组进行了更多实验，研究的结论也更加扎实。更重要的是，审稿人基于应用上的“失败”提出了一种建设性意见——脉冲充电法，这为袁欣彤的基础研究向实际应用转化提供了希望的曙光。袁欣彤表示，自己从未想过这篇论文能够荣登Nature封面。但如今回顾，正是对失败的坦然展示，或许正是登上封面的“秘诀”之一。
“这篇Nature封面论文仅仅用了4个名字作为署名，但这并不妨碍它的含金量。第一作者袁欣彤独揽了实验设计、操作、数据分析和论文撰写，她的师妹兼室友、博士二年级的刘博则在多物理场仿真模拟和分析方面做出了贡献。该校电镜中心负责人Matthew Mecklenburg博士则以他的专业知识在成像分析上给出了许多宝贵的建议。李煜章则以他的监督和指导，确保了实验设计、数据分析和论文撰写的顺利进行。袁欣彤表示，她们所在的李煜章实验室以“小而精”而著称。2020年7月，不到30岁的李煜章就来到了UCLA担任独立PI，如今他们的团队只有6名博士生、1名博士后和一些刚刚毕业的硕士，而作为李煜章第一批入学的博士生，袁欣彤就成了这个实验室的“大师姐”。”
袁欣彤（后排左二）与导师李煜章（前排右一），刘博（前排左一）
师徒二人的奇缘始于2019年除夕夜。当时，袁欣彤作为天津大学巩金龙教授团队的一名硕士研究生，正在为她的博士申请季忙碌。当她收到来自未来UCLA实验室主任李煜章教授的offer时，激动的心情难以言表。电化学、电池正是袁欣彤的最爱，而李煜章更是在材料学领域将冷冻电镜运用得出神入化。此时的李煜章虽然还没正式建立实验室，也没有带过博士生的经验，但袁欣彤还是毫不犹豫地选择加入这个即将起步的团队。作为实验室里的“大师姐”，袁欣彤亲眼见证了实验室从无到有、从小到大的发展历程。在实验室初期，设备和资金都十分紧张，而进行锂电池实验所需的电解液更是贵得让人咋舌。然而，困难并没有让李煜章退缩，他总是派出“得力干将”袁欣彤去其他实验室借实验仪器和试剂等，美其名曰“锻炼你的沟通技巧”。这个故事让我们看到了科学探索的艰辛与不易，也感受到了师徒二人在困难面前的坚定信念和相互扶持。正是这样的精神支撑着他们在科研道路上不断前行，为人类科学进步贡献力量。
李煜章课题组徒步，李煜章（左一）、袁欣彤（左四）、刘博（左五）
“我们团队虽然经济上捉襟见肘，但正因如此，我们更加坚定了信念。袁欣彤微笑着说：“我们的导师总会用特殊的方式来补偿我们。”刚开始研究生生涯时，袁欣彤对冷冻电镜技术一无所知，导师不辞劳苦地连续两个月教她如何拍摄、保存和处理数据。针对刚加入团队的国内博士生常常面临的语言问题，导师总是耐心地放慢语速，不厌其烦地讲解。在撰写这篇备受瞩目的Nature论文初稿时，导师甚至逐字逐句地修改和润色。除了有导师的悉心指导，一个好的团队伙伴也必不可少。袁欣彤的师妹兼室友刘博是这篇论文的第二作者，也是她日常生活中最亲密的朋友。在论文合作过程中，无论遇到任何问题，她们都会互相交流、共同探讨。她们志趣相投，喜欢一起欣赏脱口秀，互相分享段子。袁欣彤笑着对记者说：“我们常常把研究生生活中的点点滴滴编成段子互相逗乐，每次讲出来都会忍不住哈哈大笑。她称我有成为脱口秀演员的潜力，而她是最了解我笑点的观众。”这段友情故事令人感慨万分，展现了科研之路上的温情与支持。”
袁欣彤依然沉浸在锂金属电池的海洋中，不断探索未知。对她来说，这个领域曾经犹如一个出人意料的宝藏，而她则是那个幸运的发现者。然而，这并非仅仅依赖她的实力，更是因为人生关键时刻出现的良师益友的指引。谈及未来，袁欣彤满怀憧憬。她表示，对于科研道路上的每一种可能性，自己都会怀揣开放的心态去拥抱。毕竟，在这个瞬息万变的世界，拒绝任何一种可能性就意味着失去了无限的可能。而她，显然不愿止步于此，而是选择继续前行，勇敢探索锂金属电池领域的无尽奥秘。
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06235-w
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