进“电池黑箱”，断“失效”缘由—访上海科技大学副研究员、2021级星友余毅

翻阅2021年启明星名录，来自上海科技大学的女生余毅引起我注意，名录上介绍她做的是以原位谱学方法研究电化学反应。原位谱学于我是全新的概念，于是拨通电话。电话那头的余毅简要介绍了原位谱学和她的从学、从研经历。这位有着南开大学本科、马里兰大学帕克分校博士、劳伦斯伯克利国家实验室博士后经历的星友以及她从事的原位谱学研究自然是吸引我的。余毅很快帮我落实入校手续后，在上海科技大学她所在的物质科学与技术学院做了这次启明星采访。

一见余毅，就觉得这是一个很真、很纯的女孩子，眼睛大大的，口音是那种带有广东话韵味的普通话，至少我听上去是蛮舒服的。余毅先带我参观了一下她所在的刘志教授领导的课题组，介绍了她的两位同事。上海科技大学是一个对标国际一流研究型高校的新型大学，其办学理念和风格及其取得的成效已在国内外学界引起关注。这所学校近年来入选的星友开始多起来，余毅已是我访问的第二位上科大星友。坐定后我介绍了《世界科学》杂志“今日启明星”专栏的大概情况以及近期几位星友的采访情况，并介绍了前不久召开的启明星30周年纪念大会，这个过程中她是个静静的倾听者。很快我们进入采访正题。

和睦的家庭易出自信、自立的孩子

1986年7月出生的余毅是广东省广州市人，独生女，父母都是企业员工。她的童年比较“放纵”自己，看动画片花了很多时间，通常是一边看电视动画节目一边写作业。她喜欢手工劳作，喜欢琢磨一些小东西。儿时的余毅就是一个自主、自理能力很强的孩子，小学就参加奥林匹克培训，每周一场的培训都是自己坐车来回。成绩也一直居于班级前列。余毅说她的这种自信、自主能力与父母给了她很大的自由空间有关，“我们之间能平等交流，放学回家在晚饭餐桌上我和父母会很自然谈起学校和班级里、同学之间的事，他们是很好的听者”。有一段时间她的考试成绩有点起落，但余妈不会批评女儿，而是安慰她说我们相信你的，你知道会怎么做。家里也没有让她参加兴趣班。余毅的这种自信心、独立也有天性的成分，用余毅的话来说她的自尊心是强一些，比较争强好胜。一二年级时一次学校组织演讲比赛，余毅提前半天才获知要她上台演讲的信息，于是很着急哭着找奶奶，奶奶再找老师说这次最好不参加。虽然老师同意她不参加了，但这件事一直印在她脑子里，小小年纪的她想到如果今后碰到这种事是否可以选择面对而不是回避。在小学期间，余毅好几年担任班长的经历也让她提升了管理能力，余毅会清晰记得每位学生父母的样子，每次开家长会她都会把学生手册送到每位学生的家长手里。

除了争强好胜，具有自立、自理能力外，做事认真、重规范的特点也开始养成。余毅回忆说，小时候自己的东西都会自己收拾。这也逐步养成了她喜欢整理东西，做事有规划，喜欢井井有条的风格。譬如睡觉前她会根据第二天的课表把课本、作业本一一放好。假期作业她会提前做好，绝不会拖到最后，“可能是做完了觉得玩得可以安心些”。这种自律、自理的能力其实也在学习上帮助到了余毅：“我的学习能力也是自然中形成，主要是认真学习。老师讲的、课本的知识点我觉得逻辑都很简单，都能很自然地记住。有一次生物考试我也没有去刻意准备，而是按自己的要求一步步学，成绩是班里唯一的一个满分。”

“今日启明星”采访通常在进入对被访星友课题工作报道前会花点笔墨介绍其成长过程，其中就有其儿时成长的部分，因为那段时间是人的秉性养成的关键期，而这些性格、秉性应该是其日后成长的一个基点。

有幸在求学年代遇到好老师

当年广东高考是3+X。这个X余毅选了化学。余毅从小理科比较好得益于小时候就喜欢看《十万个为什么》之类的科普书。而中学时数学、化学课的老师上课特别引人入胜，且重点清晰、毫不枯燥也是余毅走上科学之路的重要促因，“我有幸在求学年代遇到好老师。”余毅特别提到高中时她就读的理科重点班的“同桌安排”一事，当时班里报物理和报化学科目的同学各占一半。学物理的同学也要学大化学，学化学的要学大物理。座位是交叉着坐。“老师的这种有意安排是想让我们的眼界放开，你的对手不是同桌的同学，而是外校的学生。也因此同学们都互相帮助，很少有小心思。高中时期的同学情谊至今都在，大家都还有联系。”

2005年高考，余毅考入天津南开大学化学专业。其实广东等地的孩子不太愿意离开家乡，离开父母，因为广州也有很好的大学。但这个土生土长的“广东娃”不想留在家乡读大学，她的想法是：已经在广州待了18年了，何不利用这人生的难得机会去其他地方看看呢。余毅的想法也得到了一直很理解她的父母的支持，因为他们相信她的判断。在确定了选择化学作为专业方向后，她曾找高三班主任征求老师对化学专业日后发展前景的看法。班主任给她的建议是你只要学有所成，把事情做好了，不会没有出路的。班主任还建议她即使现在定不下来也可以先去看看这个世界。老师的这些话在一定程度上坚定了她离开广州去外地求学，以后又到国外深造的决心。

南开大学的读书风气好，科研和科学文化积淀深厚，化学更是其传统强项。到了南开余毅感觉这里高手如云，很多同学好像都不用怎么学功课就很好，这也让她感觉到压力，必须更努力。南开本科四年学习让她对化学有了更多的认识，从一门单一的要做作业、要应付考试的专业课扩展到在我们人类生活中无所不包的、更具体更丰富的学科。本科后期的科研实验则初步训练了她从待求解的科学问题中抽出最关键的部分做实验、发论文的能力。

走上原位谱学研究之路

2009年，余毅本科毕业，也是受到当时出国氛围更浓的京津等北方地区高校的影响（彼时南方的学生本科毕业后只有不到10%的学生考虑出国，大多数是选择就业），看到不少同学在做出国准备，对自己英语水平很有自信的余毅感觉自己也可以去尝试。在出国考试准备过程中，余毅结合自己今后的发展做了认真的思考后申请了几所学校，最终她去了综合能力更好，尤其化学更出色，地理位置也比较好的马里兰大学帕克分校，部分原因也是马里兰大学给了全额奖学金。这样2009年余毅就去了马里兰大学帕克分校化学与生化专业攻读博士学位。第一年在完成基础课程学习的同时，她与不同导师交流后确定了自己下一步的科研方向（系里规定一个学生必须与三位以上的导师有过专业上的交谈后才能确定专业方向）和导师。当时余毅心仪的研究方向有能源方向的电池新材料，有做谱学分析和表面分析的方向，还有做物理化学的方向。余毅定下导师布莱恩·伊奇霍恩（Bryan Eichhorn）教授的研究方向涵盖了以上几个方向，其研究方向涉及能源材料、电化学反应过程中的物理化学过程，主要是利用原位谱学方法来研究，这在当时是一个全新的方向。也因此余毅走上了原位谱学研究之路。

人生关键时期有良师指导是难得的幸运。在余毅眼里，伊奇霍恩教授是一个极为友善的老师，他从来不批评学生，从来不以导师自居，更多是以课题组一员的身份参与课题交流：“我们交流时他就拉一个座椅到我们的工位旁听我们谈，在听的过程中他会给我们建议。在此过程和氛围中我们逐渐成长起来。”除了学业、人格和为人方面受益外，说起导师对自己专业上的引导，余毅马上说导师的化学直觉让她至今都有受益：“在向他汇报科研上的进展时，他能很敏锐地知道我是真正了解了某一个概念、术语的本质，还是只是借用了文章中的结论和概念，对这个结论产生的背后机制并没有真正理解。他能进一步点出我工作中的不足，让我去找哪些文献看。其实原位谱学对导师来讲也是比较新的，但是他的化学直觉帮助他很快抓住了这个领域的核心和要害问题，并逐步挖掘，奠定了原位谱学这一研究方向的基础。”

原位谱学方法带来观测技术革命

采访至此已经进入了被访对象的研究课题——原位谱学本身。在见余毅前我对“原位”这个术语的理解还是从病理学角度，对非常早期的肿瘤有所谓的“原位癌”一说，这个原位谱学的原位与此有关联吗？余毅回应，没有直接关系。这里所说的原位谱学出自对反应过程的研究：“原位谱学（方法）可以这样理解，举个最贴近日常生活的例子，可充放电池随着使用时间和充放电次数增多而失效是一个困扰电化学、材料和工程界的难题。欲解此难题，必须能进入正在工作的电池体系内，一窥电极与电解质界面处正在发生的反应的详情，这样才能得到失效具体原因的第一手数据，并据此做出材料和结构上的调整，减缓、改善失效率。这就是原位谱学提出的背景和大概的描述。”

在美国先进光源与同事轮班实验

余毅告知，针对电池失效的以上解题思路很多科研人员都想到过，但是就是因为进不了在用电池的内部，或者说无法进入这个“电池黑箱”一窥其详情而抱憾。电池系统一旦启用，电池内的电化学反应随着发生，而一旦停用电化学反应也瞬间停滞。电池器件（体系）中发生电化学反应的界面通常是隐匿的，没有办法直接看到电化学反应发生的具体细节。传统上的非原位方法是在反应完成后去看产物，来反推其形成过程及反应机理。而原位方法是希望在电池电化学反应过程中，利用X射线等各种谱学方法直接去观测反应及其物态、物种变化，以在器件运行中或电化学反应发生过程中直接对这一反应做实时测量。按照余毅的说法，当时伊奇霍恩教授带领的原位谱学团队所做的实际上是钻到黑箱里面（或者说把“眼睛”带到黑箱里），在电极与电解质作用的界面（电池内最关键的反应和过程，包括能量物质的转化都发生在这个界面）实时了解其变化。这是一种定点的实时观测。这样做能看到事后看不到的东西（物态）。传统的非原位探测方法是在器件（如电池）停止工作后打开其“内脏”一窥其样态，但此刻内在的电化学反应都已停滞，无法看到“真相”。这也正是原位谱学方法带来的观测技术的革命。

在原位谱学研究重镇经受历练

设计好实验后，具体的原位谱学实验和数据采集余毅是到劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源原位实验站做的。当时美国能做这种实验的地方不多，先进光源的原位实验站是其中一个。余毅告知，当时（2010—2014）他们大概每3个月去一次，每次在那里约一周时间。为了充分利用时间，基本上是24小时连轴转（实验人员换班，不停机）。这种充满时间紧迫感的实验模式其实还挺刺激的。一旦看到谱学信息不是所期望的就要抓紧利用在机时间做调整，尽可能在时间段内取得如愿的结果。原位谱学这个课题得到美国能源部（DOE）的经费支持，他们是希望借助这个课题研究来揭示一些能源器件（如可充放电池、电解池、燃料电池等）中的失效机制，这样可以提高下一代能源器件的性能，或者针对性地去设计新一代的能源材料。谈到原位谱学发挥的作用时，余毅举了一个镁充放电池的研究为例。他们拿来镁电池里最常用、综合性能最稳定的电解质材料进行原位谱学研究。此前没有人曾对这种电解质构筑的充放电界面提出过质疑。但原位谱学结果显示这个界面其实并不如想象的那么完美，电解质的溶剂存在分解。另外通常认为电池失效是充放电过程所致，但原位谱学研究发现即使不经历充放电，只是把电池装配起来，电解质在界面还是会发生不可逆的分解。这是人们以前忽视的失效原因，这些新认知就是原位谱学发挥的作用，因为优化设计的前提是能发现问题。

访问韩国原位X射线光电子能谱实验室，并开展学术研讨

劳伦斯伯克利实验室是原位谱学研究的重镇。余毅从马里兰大学博士毕业后就到那里跟随亨德里克·布鲁姆（Hendrik Bluhm）教授做博士后研究（2015—2017）。在那里余毅接触到了更多的原位谱学方法，如X射线吸收谱、X射线衍射谱等，接触到了更为复杂的体系，从固体-气体界面到博士后期间接触到更为复杂的固体-液体界面，开阔了余毅的见识和实际操作能力。博士和博士后期间，余毅在《美国化学学会会刊》（Journal of the American Chemical Society）、《材料化学》（Chemistry of Materials）等领域内权威杂志上发了文章。尤其在《材料化学》上发表的工作是第一次把原位光电子能谱手段用到可充放电池领域研究中。

入职上科大，助力原位谱学研究

2017年12月，完成博士后工作的余毅，在刘志教授的关心帮助下，加入了上海科技大学刘老师领导的原位谱学团队。刘老师长期从事同步辐射方法学和原位谱学研究，曾在美国劳伦斯伯克利国家实验室担任终身研究员。正是在那里，余毅有幸结识了刘老师。刘老师2014年全职回国，先后在中科院上海微系统与信息技术研究所和上海科技大学组建了原位谱学团队。在这个团队中，余毅的研究能力、科学思维及实验能力获得了更多方面的提高。与原位谱学团队成员合作，在《核技术》和《科学仪器评论》等国际学术期刊多次发表关于原位光电子、俄歇电子谱学技术发展的文章，报道了结合多种X射线原位方法的研究成果。

2021年，余毅受聘上科大大科学中心副研究员，并入选启明星计划。启明星项目支持她引入另外一个先进的原位谱学手段——驻波光电子能谱，用于研究稀土氧化物材料在固体-气体界面反应过程中化学物种和活性位点的动态变化，将原位谱学方法引入稀土氧化物也是基于前几年原位研究的基础。启明星项目是余毅入职上科大后获得的首个独立担纲的省部级科研项目。余毅说她一定不负启明星计划的信任，把这个原创性工作做好。

原位谱学会有更多的用武之地

考虑到这次余毅所介绍的“原位谱学”研究工作的新意和重要性，我希望她和刘老师能专门撰写一篇关于原位谱学兴起的背景、研究内容及其需求、未来可能的应用场景的科普文章。这其实是一件不易完成的任务。余毅意识到对科学新知识做普及的重要，所以没有犹豫就答应了这一约稿任务。余毅说：“刘老师比我看得更宽更远更深，观点和表达也会比我更通俗易懂，而且他一向很支持推广原位技术和方法。”与前些年相比，这几年原位谱学这个领域国内同行的关注度很高，国外这个方向发展也很快，随着大科学装置的发展，未来必将获得更多的关注和应用。但是还有不少其他领域的科研工作者不知道原位谱学，所以他们愿意写一点这方面的科普文章，如能让更多人理解这一技术的重要性，并将此方法引入他们的工作（譬如反应机理和动力学、材料实时监控、活细胞成像甚至是分子电影），这样原位谱学就能有更多的用武之地。

也希望看到这篇启明星访问稿和关于原位谱学的科普文稿的星友们可以通过启明星平台发表意见，启明星协会愿意为有这方面需求，希望开展交流探讨的星友们提供交流平台。

江世亮采写于2022年1月15日