我们把电池做成一个‘机器人胃’
给它喝杯特制‘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
瞰见新青年演讲实录 ///
高 悦
复旦大学青年研究员、博士生导师
国家重点研发计划首席青年科学家
分子、能源与智能机器人
首先介绍一下我的背景。我本科在兰州大学做天然产物全生成，合成小分子药物。之后我换了一个小方向，从药物转向疫苗设计，去清华做糖肽疫苗，疫苗做好给小老鼠打进去，看老鼠的免疫反应。学习完这件事情之后，在博士期间从事电池设计，也就是现在手机所用的锂电池，主要研究电池界面。常规电池之后，我博士后又去做一些供极端场景使用的电池设计。
在这之后，我的研究兴趣又有所变化，变成3D打印材料，我们希望探索能否打印出我们想要的器官。之后我又对人工智能机器人产生了兴趣， 每一个工作在我看来跨界都很大，但是最后都对我的研究工作产生了巨大的帮助 。
01
设计“保鲜膜”稳定电池界面
我为什么想做电池？储能电池已经改变了我们的生活，比如各种便携智能设备以及电动车、电网储能。电池都在其中扮演了非常重要的角色。未来全球有一个趋势叫做电气化，各种设备都会用电驱动，以实现更加友好、可持续的环境。
电气化趋势的第一个例子是VR，各种好玩的设备会用电池驱动。未来为我们服务的机器人，到以后整个城市都反映了电气化的趋势。这个趋势下我们需要什么样的电池呢？现在的电池可以满足呢？答案肯定是不可以的。我们希望能量密度更高、充电时间更短、资源环境可持续的电池，这是我们宏观总体的目标。我一个人的力量有限，我博士期间的研究主要聚集在第一点——能量密度。
想提升能量密度，需要把电池的材料换掉，把一些容量低但是很稳定的材料换成能量很高“脾气比较爆”的材料。简单来说，现在电池中放的石墨材料，它的锂离子嵌入和传输过程非常稳定，就像一个乖宝宝一样在那里反复工作。但未来的电池，提高能量密度之后，会用一些高能材料，电池的界面和体积变化非常大，这样一个动态的过程会造成一些界面的负反应，电池不稳定，我把这种情况称为电池的脾气比较火爆。
那该怎么办呢？ 把它的界面稳定下来，在乱动的过程中让整个界面保持很好的稳定性。 传统的方法像炸带鱼一样，表面裹一层颗粒状的无机膜，这个带鱼表面的膜非常容易掉，抖一抖就掉粉，这个保护层非常不好。我们想做成“青团专用保鲜膜”，无论怎么揉，保鲜膜的质量是非常好的。我们先把保鲜膜贴到材料表面，让它在电池工作中起这样的效果，这是我们干的一个事情。保鲜膜就是刚刚讲到的第一个分子，我们把它涂在电池表面，通过化学和电化学的设计生成这样的膜，让它保护电池结构。
做好材料之后还要做一些很先进的表征。我们能够看到，这是纳米尺度的表征，从纳米级别看到我们的膜到底长什么样子，包含什么结构，从结构反推它的性质，再做一些应用，这是最终实现的性能。横轴是工作的时间，比如说右边是200圈，电池可以实现200圈的稳定安全的循环。但是对照样品可以看到，大概在20圈就已经死掉了。这也是美国国家实验室和科技公司都在继续往前推进实用化设计的工作。
在这个地方，我认识到迈出第一步很重要。 当我们这个研究迈出第一步之后，如果你做出一些事情，会有非常多人感兴趣，帮助你把后面的事情做好 ，比如这样的转化。最重要的还是我们初始的原创设计。
02
降低电池膨胀率
基于这个工作，我们又设计了各种新电池的体系去稳定它的界面。这件事情做完之后，我也从一个博士变成了现在的老师，电池的发展也有了飞速的进步。一开始做研究的都是用小的钮扣电池。现在我们的电池变成了大家笔记本、手机电池里面的软包。
再回头看我们研究时，发现现在实用化的时候会出现一个问题——所有的电池测试都要加压，电池循环之后还有一个膨胀过程，一开始是3.7毫米，膨胀完之后是4.9毫米，膨胀非常大。这会带来很大的问题，比如说VR眼镜这种设备，如果放到里面会有一个膨胀和压力，它的实际寿命小于10圈，虽然看起来已经200圈了，但是真的放到器件里会小于10圈。另外如果电池有膨胀，会造成三星爆炸和着火的情况，这种情况非常严峻。
我们怎么解决这个问题呢？我们还是把材料做成乖宝宝。我在博后期间学到的3D打印技术又用回来，设计了3D打印的结构。我们让锂乖乖沉积在里面，又没有任何的膨胀，来解决这个问题，这是一些细节表征。 整个3D打印过程是从分子到器件的研究，最终我们可以达到一个无膨胀的电池稳定的循环状态。
我们可以用自制电池给手机进行充电，理论上来说可以放到手机里直接用。这是我们的研究，最重要的是我们跟商用标准做了一个对比，我们的电池膨胀率只有7%，但是商用电池标准在10%，如果没有任何保护，普通电池的膨胀率大于200%。
03
为机器人做一杯“奶茶”
我们解决了从分子到电池的迈进，电池到机器人是我们后面一部分的工作。 除了现在的传统电池，我们也希望去做一些更新的探索。
我们想法很简单，把电池做成机器人，给这个机器人做一杯“奶茶”，意思是这个机器人没有电的时候让它喝一杯“奶茶”下去，把奶茶中的能量转化为电能，驱动它工作，像人一样，饿了吃东西就能够恢复。这样做的好处是什么呢？喝“奶茶”的过程是很快的，一分钟就能够完成这个事情。电池充电要4-12个小时，这样我们就解决了充电的等待时间。
另外一点好处是，能量密度可以做到非常高，比现在的电池能量密度高两倍，使用时间也会长两倍。大家可以看到我们可以回收废物再次利用。我们也在复旦江湾校园里飞了一下无人机，我们自己的化学电源可以飞41分钟，商用电池只能飞20分钟，飞40分钟喝1分钟的饮料，我们可以实现一天之内95.8%的时间无人机都可以工作。
很多场景是没有办法带充电器的，不如带一杯“饮料”，这就是我们的实际应用的例子。现在的电池能做到什么呢？一天只能工作7.6%的时间， 我们希望跨界的“黑科技”，能够为一些特定的应用带来很大的突破 。
另外一件事，我们不仅管机器狗吃的过程，我们也管排泄。这是什么意思呢？它排泄出来的液体可以通过电化学的方式回收，回收回去之后形成能量闭环，也就是说 饮料可以利用完之后再变成新的饮料，这样的话可以大大降低价格 。简单说，用得多了之后，我们的机器人喂食物价格要比汽油还便宜。
除此之外，我们也对另外一些东西感兴趣。比如现在的电池都是用无机的有污染的材料，我们希望开发一个纯有机的、以生物质为原料的电池，这样会更加环保。刚刚讲到全球电气化的趋势，电气化的过程中电池大量使用一定会污染环境，因此这是一个非常有意义的解决思路。
另外，我们也去开发在非常极限的救火、深海的场景下使用的电池。另外一块是医用，我自己做过一点糖肽和小分子药物的合成。我们体内需要智能化放药的方式，以及智能化监测的方式，我们在思考能不能开发一个可以在体内安全植入并且和体内相融的结构。