本刊记者  闫冬雪

　　
　　
　　二十一世纪，人类被网络和高科技包裹着，足不出户就能对天下事了如指掌。手拿一部手机，轻松穿行于街市人潮，衣食住行都能用它轻松搞定。众所周知，手机、电脑等高科技电子产品离不开锂/钠离子电池，它们在为这些高科技产品提供着必须的电能。
　　人们每天都在享受着它们带来的便利但却很少去关注其背后的一系列问题，如它是用什么材料制成的，是应用了何种机理，它对环境会产生什么样的影响等。这一切在北京工业大学环境与能源学院化学化工系孙少瑞副研究员所做的科研探索中，我们将会找到答案。
　　
以寻找环境友好、资源丰富的材料为初心
　　
　　锂离子电池广泛应用于各种移动通讯设备，便携式电动工具，应急电源等系统中，是一种非常重要的电能存储介质，而钠离子电池是重要的新一代二次电池，它们都被广泛应用到我们的生活中。
　　从大规模储能的应用需求来看，理想的二次电池除具有适宜的电化学性能外，还必须兼顾资源丰富、价格廉价等社会经济效益指标。电极材料是制约锂/钠离子电池性能和成本的关键部分，但面对大量被广泛研究使用的无机电极材料，它浪费稀有资源以及回收过程污染环境的弊端也在渐渐显露。
　　矿产资源是重要的非可再生自然资源，是国家经济建设的基础物质材料，关系到国民经济长期稳定发展和国家安全。据统计，我国90%以上的能源、80%以上的工业原料、70%以上的农业生产原料都来自矿产资源。目前，我国已发现171种矿产，探明有储量的矿产168种，已探明矿产资源储量潜在价值约占世界矿产总价值的14.6%，居世界第3位。然而，我国矿产资源人均占有量仅为世界人均占有量的58%，列世界第53位。面对国民经济建设的巨大需求，我国矿产资源储量严重不足。为了缓解我国矿产资源需求和环境压力，矿产资源高效清洁利用成为亟需发展的重要技术方向。所以，寻找元素资源丰富，成本低，成产过程低能耗、易回收，环境友好的有机电极材料迫在眉睫。
　　目前，已有很多有机电极材料被发现，但因为该类材料倍率性能差、能量衰减快的明显缺点，使之距离实际应用还有很远的距离。
　　孙少瑞及其团队就针对这一难题展开了深入细致的研究。考虑到有机电极材料种类与结构多样化的特点，他们创新性的在研究中纳入多个不同材料体系，对材料的充放电机制，锂/钠离子扩散机制、电荷（电子和空穴）迁移和结构相变机制，以及材料的稳定性开展了系统性的理论模拟和实验研究。通过对这些不同材料的比较研究，以及从微观结构的层面分析这些材料的共性和特性，为预测新型高效的材料和改善现有材料性能提供了理论依据。
　　骐骥一跃，不能十步；驽马十驾，功在不舍。而科研工作更是需要这种坚持不懈的精神。在寻找有机电极材料之路上，孙少瑞和他的研究团队就在严格恪守着这种精神品质，始终如一。据研究显示：有机电极材料种类和结构具有多样性、对材料实施改性的实验方法也有很多。生活中的普遍使用以及各类实验现象都在表明着该类材料具备较强的电子导电能力，所以无可厚非，它们潜力是可以无限挖掘的。事实上，经过科学家们的努力以及大量改性方法的使用，的确在一定程度上改善了有机电极材料的缺陷，但孙少瑞心里清楚距离真正解决有机电极材料倍率性能差和容量衰减快这两个问题依旧任重而道远，他们还需要朝着这个目标继续前行。
　　学无止境，科学探索亦是无涯的。虽然科研工作者们进行了许多的尝试，但所有的结果都在表明着：有机电极材料体系的工作机理异常复杂。究其原因有二，首先该类材料的储锂/钠机理复杂，其次相界面动力学过程复杂，研究这些都要辅助以大量的数据分析并加以实验，其研究的复杂性也就可想而知了。
　　经过科学家们不断地计算与实验，现在的高效理论方法和高性能计算技术为精确模拟上述问题提供了可能。通过模拟不同材料的储锂/钠过程和不同相界面上的反应过程，可以将实际实验转化为虚拟实验，进而找出各种体系发生变化的共性问题和关键性要素，以探索改善材料倍率性能和循环稳定性。有了方法的支撑，孙少瑞及其团队在这条科研路上行走的似乎更有底气。
　　目前，孙少瑞及其团队对于有机电极材料的理论研究工作已经有所开展，并渐渐步入轨道。众所周知，对于有机电极材料的理论研究比较普遍的方法是从单分子的角度，这种方法的优势是比较简单，易于操作。但不得不让研究者们引起重视的是，这种方法忽略了分子与分子间的相互作用，也忽略了锂/钠离子与其他分子的相互作用，不能准确的计算嵌锂/钠电势，所以弊端也是显而易见的。
　　孙少瑞与其研究小组将有机电极材料的模拟范围扩展到有机分子晶体体系，利用色散力修正的密度泛函理论分别研究了多种分子晶体的锂离子嵌入脱出机理，理论计算出的电势平台与实验测量值接近，最近的理论结果也表明了将杂化泛函和色散力修正方法结合起来可以将理论方法的计算误差减小到5%以内。另外，晶体结构模拟的结果也显示，锂离子位于相邻的有机分子之间的空隙里，每个锂离子与相邻的氧（氮）原子形成丰富的配位结构，并进一步形成一维的链状结构和二维的网状结构。在这些工作的基础上构建了针对有机电极材料的高通量筛选方法，能够快速的从现有的数以百万计的有机分子材料中筛选出潜在的电极材料。这些研究成果也给接下来更深入的科研带来了新的契机。
　　
克服一切困难，寻找有机电极材料
　　
　　前途是光明的，道路是曲折的。这个理论适用于哲学，也适用于科研工作。孙少瑞和他的伙伴们在科研道路上所历经的心路历程，也许只有他们自己才能体会得更为深刻。但在科研世界里遨游，在数据分析和试验中发现真理，他们也是累并快乐着。
　　业精于勤荒于嬉，科学研究更是一个严谨求索的过程。目前，孙少瑞及其团队成员所做的理论工作虽然能够准确的预测有机小分子晶体材料的嵌锂/钠电势，但对聚合物电极材料以及各种相关无定形结构的研究，对材料储锂/钠过程结构相变，锂/钠离子扩散，电荷传输等动力学过程等各种方面的研究仍然是缺乏的。所以，对于有机电极材料的研究，他们仍有大量的研究工作需要开展。
　　集中精力解决主要矛盾。在孙少瑞及其团队的研究中，就对有机电极材料的界面问题开展了系统性的研究，包括界面附近的结构重构过程，材料溶解过程，锂/钠离子扩散过程和电荷迁移过程等。相信通过接下来研究的步步开展，他们必定会对有机电极材料界面上所发生的动力学过程进行更为深入的理解，从而为发掘新的有机电极材料和设计新的电极结构提供理论依据。当然这也意味着：接下来他们要付出更多的辛苦，迎接更多的挑战。
　　其实，一直以来他们都在致力于“新型锂离子电池电极材料和燃料电池催化剂的设计合成与机理方面的研究”，在科研方面也取得了很多优异的成果。除却刚才所说的对“有机锂/钠离子电池电极材料的研究”，他们在“新型质子交换膜燃料电池催化剂研究”以及“新型锂离子电池正极材料研究”上也颇有建树。当然，这一切都与之对科研工作的无限热爱与执着是分不开的。
　　2016年，孙少瑞所引领的团队在该研究领域所研究的课题“二次电池有机电极材料的储锂/钠机理和界面动力学研究”获得了2016年国家自然科学基金面上项目，这对于科研工作者来说，无疑是一个很大的鼓励。屠呦呦曾说过：“一个科研的成功不会很轻易，要做艰苦的努力，要坚持不懈、反复实践，关键是要有信心有决心把这个任务完成。的确，没有事情是一蹴而就的，科研工作更是一个积跬步而至千里的过程。相信通过孙少瑞及其团队成员的努力，在不久的将来，环境友好且功能强大的有机锂/钠离子电极材料终会面世。