回到北大他在鋰電池材料領域實現“建筑師”的夢想

因能源轉型和低碳經濟的興起，電動汽車正在逐步全面取代傳統燃油汽車。對于消費者而言，續航能力和電池性能的提升一直是關注的重點。我們不禁會問：“如何開發更高能量密度的電池，從而讓電動汽車的續航里程得到大幅提升？是否有更好的電池材料能突破當前技術瓶頸，讓充電更快、續航更遠？”這一問題關乎現在，也關乎未來。而答案就在北京大學材料科學與工程學院李彪老師的研究方向——鋰離子電池材料設計、合成及其反應機理中，他正在尋找。

01“張無忌學太極”

作為常人眼中的青年英才，李彪批評起自己本科期間的學習情況卻毫不留情：'就像張無忌初學太極，死記硬背張三豐所教的招式，不能應對手的變而變，不能以不變應萬變。'

起初，李彪對自己專業的興趣始終缺乏一絲著迷的熱情。北大工學院能源系初設不久，專業的開設在國內也是首例，相較于工科專業，這一時期更吸引李彪的是建筑學。那一絲缺乏的熱情始終阻攔著他真正深入地去認識自己所在的專業。

平日里，他積極參與院里的外聯活動，負責為學院活動尋找贊助；他還加入了“雁行北大”這個跨校公益組織，與清華、人大、北師大的學子們共同籌辦活動，結識了許多志同道合的朋友，極大地提升了自己的組織能力；在課余時間，李彪也常去暢春園食街，那里是他和同窗們擼串、打桌游的好去處；西南門外的肯德基、咖啡館，校園內的學一食堂、以及如今已成回憶的康博斯……李彪青春的歲月在這些地方留下了深深的印記，既充實又難忘。

為了滿足自己對建筑學知識的渴求，他嘗試通過旁聽建筑課程來深入學習這門專業，但本科專業的限制、建筑課程任務的繁重，讓他不得不放下在本科階段轉學建筑的念想。與此同時，他積極地參與到校內社團工作中，并選修經濟學雙學位，為本科就業服務。

那時，李彪的計劃里并沒有在本專業繼續學習這一選項的身影，那一絲缺乏的熱情始終阻攔著他真正深入地去認識自己所在的專業。

直到大三，李彪選修了夏定國老師開設的新能源技術的課程，第一次深入了解鋰離子電池的概念。“電池是一個非常有意思的東西。”這種概念的材料科學和傳統的高分子、化學、工程等材料學科有很大的不同，它的結構像是一個“建筑設計”，使得材料可以可逆地存儲鋰離子。從此，埋藏在心底的建筑理想似乎有了歸處，李彪決定跟著夏老師，深耕電池領域，繼續碩士、博士階段的學習，眼前豁然開朗，他從未想過的那條路與他想走的大道奔向一處。

李彪與夏定國老師

“不壞不壞，忘得真快”，“張無忌”抽出了那縷他真正需要的“意”，建筑學的思維在新能源研究中引導出了新的創新點。

直博后，李彪的生活軌跡簡單了很多。他大部分精力用于科研，“除了在實驗里做實驗，就是在工位上寫論文，偶爾也會出差。”日子單純卻不單調，自我驅動力與強烈的好奇心，讓李彪始終充滿熱情地對待科研。

談及此，李彪不無感慨：“行至今天，越發覺得冥冥中自有天意，興趣是最好的老師。”

02鋰離子電池材料領域的“建筑師”

李彪常常將他在鋰離子電池材料設計研究中的過程比擬為建筑，相較于“青年人才”、“研究員”等頭銜，他也更喜歡稱呼自己為“建筑師”——鋰離子電池材料領域中的“建筑師”。

鋰離子電池工作的基本原理是鋰離子在正極和負極之間來回穿梭。

李彪喜歡用房屋的結構來形容它：“電池的正負極就像是兩個房間，鋰離子既可以待在房間里，也能來回穿梭，像搖椅一樣在正負極間擺動，人們也稱之為搖椅式電池。我研究的正是這一電池中電極材料的結構。”

圖1“搖椅式”鋰離子電池的工作原理，圖片來源于美國能源部

圖2.富鋰錳基正極材料晶體結構模型和透射電子顯微鏡照片

更準確來說，李彪研究的是鋰離子電池電極材料框架結構內部的鋰離子反應機理問題，這和鋰離子電池能夠擁有怎樣的性能密切相關。

比如大眾最關心的電池續航問題。轉換到研究中，就取決于鋰離子框架結構里的鋰離子數量，它能夠儲存和釋放的鋰離子數量越多，則存儲和轉移的電荷越多，能量密度便越高，電池續航也就越持久；

比如大眾關心的電池壽命問題。轉換到研究中，就取決于鋰離子在其框架結構中的穿梭情況，鋰離子在正負極兩個“房間”內部穿梭的過程中，其速度會對“房屋”結構造成影響，一旦破壞“房屋”結構，就會影響電池使用壽命；

再比如近些年市面上流行的各類快充技術，同樣依賴于鋰離子電池相關研究，這要考慮的就是一個動力學問題，即如何更快讓鋰離子從“房間”里進出；

……

而在鋰離子電池的研究中，最為核心的突破需要落腳于材料上。

目前的市面上流行的鋰離子電池，相較于其他材料雖然已經是更為優質的高能量密度、輕量級和可再充電的電源解決方案，但仍存在電池能量密度偏低的問題。為解決這一問題，開發高比能量密度的正極材料是關鍵。

在李彪進入這個研究領域之前，幾代科研人已經為此做了許多努力。

20世紀初，具有極高比容量的富鋰錳基正極材料被發現，但由于其不可逆容量過大、析氧、電壓滯后、電壓衰退等缺陷，沒能實現大規模商業化利用，其結構和反應機制存在的許多問題，也困擾了學界很久。

針對此前研究的空白，李彪所在課題組采取了一系列先進表征技術來觀察研究，揭示了鈷和鎳這兩種過渡金屬在決定高容量正極材料的性能中所起到的不同角色，對未來如何從組分設計的角度來提升材料的性能具有重要的意義，為設計新一代正極材料添上了一塊新基石。

沿著李彪的研究路線向前展望，下一步要邁向的就是探索合成性能指標更加均衡的富鋰正極材料，假如其可以同時擁有較高的能量密度和循環性能，并且具有較小的電壓滯后和電壓衰退，那么單體電池能量密度將有望達到400Wh/kg或以上，大大提升電動汽車的續航里程，富鋰正極材料的產業化利用指日可待。

“這個領域的建設涉及到非常多的基礎科學問題。鋰離子電池材料的研究涉及到固態離子學，它屬于一個非常基礎的科學問題范疇，從基礎到最終演化為實際應用需要很久。”

這一結果的取得，盡管離實際應用還比較遠，但也足夠令李彪興奮——這是他從博士到博士后期間反復實驗、挖掘的成果，是他從學生到學者的成熟，也是“電池建筑”中打地基、建主體的階段。

李彪常常將他在鋰離子電池材料設計研究中的過程比擬為建筑，相較于“青年人才”、“研究員”等頭銜，他也更喜歡稱呼自己為“建筑師”——鋰離子電池材料領域中的“建筑師”：

“從事鋰離子電池材料設計，對我來說就如同做一個材料的‘建筑設計師’一樣，通過構造不同的晶體結構，對局域結構的修飾和改進，以及加固支撐結構以防“大樓”（材料結構）坍塌等等，兩者十分相似。”

做“建筑師”的夢想在李彪心中扎根，要早于他堅定地選擇新能源研究。

03歸來：變與不變

十三年間，時光流轉，校園或許已換新顏，人事亦有所變遷。然而，對于李彪而言，有些東西卻似乎依舊保持著當初的模樣。

今年，已經是李彪在北大的第14年。從2008年考入北大算起，他在這所園子里度過了本科和直博九年的學生時光。以博士后身份在北大和法蘭西公學院各工作幾年后，李彪回到了北大，成為一名青年教師。十四年間，時光流轉，校園或許已換新顏，人事亦有所變遷。然而，對于李彪而言，有些東西卻似乎依舊保持著當初的模樣。

“我覺得巴黎是一個非常美麗的城市。去了之后發現，巴黎保留了很多古老的建筑，公共交通也保持著比較老舊的狀態。在那兒待了很多年之后，我越來越覺得巴黎很宜居，會讓人產生去追求某個理想或者好好生活的欲望。但我還是想回來。”

短別更惹思念，“我在北大這個園子里待得太久了，久得不得不想回來。”

結束在法蘭西公學院的博士后工作，時隔四年，李彪重回北大，以一名教師的身份加入材料科學與工程學院。“第一個就是物理上的變化。”教學樓的改建、門禁的增設、校園管理方式的一些變化，讓李彪有所感嘆。而另一方面，昌平新燕園校區的逐漸興盛、新工科的開設，也讓李彪看到了北大永不停息的發展活力與姿態。

李彪對新接手的教學工作滿懷期待，雖坦言“教學對于從未實踐過的我確實具有挑戰性”，但他對自己多年來積累的學習方法和心得充滿信心，渴望與學生們共同分享。作為一名博士生導師，他認為學生未來的職業選擇應是多樣的，不必局限于科研領域。他更注重培養學生的正確價值觀和自主學習、解決問題的能力。“導師的職責不在于傳授大量知識，而在于培養學生獨當一面的決策力和主動克服問題的解決力，這才是我所期望的。”

李彪參加第21屆全國固態離子學會議并作邀請報告

材料科學基礎（下）課程，李彪與學生們的合影

對于科研，李彪懷有深厚的熱情。他期待在擁有一個團隊后，每天都能與團隊成員激蕩思維，共同探索科學與應用研究的無限樂趣。“科學的快樂在于其無限的可能性，與團隊一起討論和嘗試各種新想法，這種快樂會以指數級的速度膨脹。”

即將開設的本科生課程，李彪也有著獨特的設計理念。基于自己的求學經歷，他深知知識灌輸的乏味，主張講授枯燥理論時必須結合實際案例，以生動形象的方式解釋抽象公式。通過這樣的生活實例，理論知識便變得易于理解且充滿趣味。“結合生活中的例子，我相信理論會變得更好理解、更加有趣。”李彪用他的智慧和熱情，描繪了一幅充滿活力和希望的教育藍圖，在他的課堂上，知識不僅是傳授，更是分享與探索的旅程。

李彪在北大工學院度過了他本科和博士階段的歲月，如今面對北大的“新工科”建設，他感慨萬千。在他眼中，“新工科”是時代的產物，是面向未來的新事物，創造無限新機遇的學科。材料學院在北大理科深厚傳統的沃土上，在“新工科”的戰略背景下應運而生，既承載了悠久的底蘊，也迎來了嶄新的機遇。

他滿懷期望地說：“在這里，不僅要致力于基礎科學的研究，更要追求實際應用，將研究成果轉化為現實。”在這片孕育創新的熱土上，李彪希望能在科學的探索中，觸摸到現實世界的脈搏，將理想與實踐緊密結合，讓知識之花綻放在每一個可能的角落，為人類社會帶來切實的福祉。

“北大有特別優秀的學生和同事，加之新工科的搭建，是國內頂尖的平臺。”“在北大待了太久了，這里已經成為我的家了。”不論是從外在條件還是個人情感出發，對于李彪來說，回北大都是一個必然的、“不用思考”的問題。在北大，他發掘了建筑的興趣，踏上電池領域的“建筑之路”，成為一名鋰離子電池的“建筑師”；如今帶著成果回歸北大，他開啟了另一條“建筑之路”，成為一名教育領域的“建筑師”。北大是一片土壤，種下了李彪的理想，他在這里留下了大學時光的印記，也將在這里建筑更廣闊的未來，一步步實現那些出于好奇而開啟科研之路的偉大設想。