從2014年剛加入青島大學物理科學學院的一個人和一間二十多平方米實驗室,到現在的青島大學物理科學學院磁電化學課題組、30多人的多學科交叉研究團隊,新能源科學與工程系主任李強教授近十載深耕在能源與磁學交叉領域,踐行“讓磁學在能源領域內發揚光大”的初心。

創業雖難,擋不住對科研的“熱愛”

剛加入青島大學時,李強老師就打算將磁學應用到能源領域,當時從事這方面的人不多,“我相信磁學在能源領域內會有著一席之地”,李強老師一頭扎進這個領域,一干就是近十年。

剛開始的實驗條件很艱苦,實驗所需的材料和設備需要花費一定的經費購買,對于大部分初期的科研工作者來說,獲得足夠的經費支持并不容易,如果經費不足,就可能影響實驗的進行和科研的質量。有的實驗李老師想辦法借用其他老師設備擠出時間來幫忙完成,有些實驗需要借助公共測試平臺來完成,但往往公共測試平臺機時比較緊張,會影響實驗的進度。李強老師需要想盡辦法,優化實驗條件,利用有限的經費,爭取高效高質量的完成實驗。還有些實驗,現有的標準測試設備上不能滿足一些新的物理測試,需要有一些定制化的測量方案,因為經費不足,李強老師一方面向學院努力爭取經費上的支持,一方面親自帶領同學們動手去改裝測試裝置,完成測試的同時還能節省很大部分的經費。

李強和他的學生最初所在實驗室

李強老師和學生大概六七個學生擠在一個堆滿實驗設備的二十幾多平米大小的房間,他說喜歡和同學們呆在一起,有什么想法可以馬上交流,沒準就能碰撞出靈感的火花,他總是保持著一顆樂觀積極的心態。他一直“熱愛”科研,同時也將這份心態傳遞給每一個學生。“I like magnetism.”提起李強老師,青島大學的同學們首先想到的便是這句他常掛在嘴邊的這句話,“我熱愛磁學。當你發自內心地去熱愛它時,你會收獲到許多”。

當他討論科研問題時,能從他的眼里看出對科研的“熱愛”,正是他的這份熱愛,讓他和課題組將“磁學”在能源領域內脫穎而出。

另辟蹊徑,研發實時原位磁學測試技術

隨著儲能需求的不斷提升,電化學電池的科學瓶頸呈現出從宏觀到微納尺度、從單一維度到多維度、從靜態到動態的過渡趨勢,其電化學反應界面復雜性和動態變化性超出了傳統分析技術的表征范圍和精度上限,也超出了單一學科的知識范疇。

李強老師團隊敏銳的發現基于多學科交叉,開發各種高靈敏度的新型原位表征技術,聯合多個觀察分析視角,對于闡明儲能機制、優化材料設計與制備工藝至關重要。

說干就干,李強老師馬上帶領著學生們撲到了原位表征技術開發上來,歷時近4年時間,從軟件到硬件、從材料到器件、從理論到實驗,多方面攻堅克難,終于研發出了全面精準的實時原位磁學測試技術。

李強老師和學生一起探討原位磁學測量技術

該技術處于國際領先水平,克服了傳統電池檢測技術中測不全、測不精、測不到、測不真的技術痛點,具有超高靈敏度、多維度、真實無損、普適性高等一系列獨特優勢,可以實現對電化學過程界面電荷轉移、物質轉化等的快速高靈敏監測,是研究雜質相和局部電子分布的全新“利器”,能夠獲取其他傳統技術所不能測得的信息。

這一種新的測量方法,也成為了磁電化學領域研究的新“利器”,為理解電化學能源新機制提供自旋新視角,對揭示真實條件下電化學反應機理與電池材料結構動態演變規律發揮了重要作用。

“感謝團隊每一位成員的辛苦付出,因為“熱愛”,我們堅持了下來”, 這也詮釋了李強老師說的“當你發自內心地去熱愛它時,你會收獲到許多”。

小試牛刀,揭示鋰電池額外容量“起源”

2020年8月17日,李強老師團隊基于該技術在世界頂尖期刊 Nature Materials(《自然·材料》)發表了“Extra storage capacity in transition metal oxide lithium-ion batteries revealed by in situ magnetometry(原位磁性測試揭示鋰離子電池中額外容量起源)”的突破性研究成果,通過原位磁性監測技術揭示四氧化三鐵(Fe3O4)的額外容量主要來源。

該成果解決了困擾儲能領域近二十多年的科學難題,首次通過實驗證實了空間電荷存儲機制,明確了電子存儲位置,被Science Daily等國外八十多家權威媒體高度評價:“破解科學疑云:解決了數十年的鋰離子電池儲能謎團”。這是山東高校在該雜志上發表的第一篇學術論文,也入選了2021年中國百篇最具影響國際學術論文。

“我相信磁學在能源領域內會有著一席之地,我一直希望能夠將磁學在能源領域內發揚光大”,作為傳統磁學出身的李強老師,把磁學在能源領域內的發展為己任。

隨著這篇工作的影響,國內外眾多學者意識到原位磁學測量在儲能研究方面的重要性,不斷發出合作邀請,尋求從磁學的角度來攻破儲能研究上的關鍵難題。同時,李老師也應邀在“雙清論壇”、“蔻享學術”、“科研云”等知名科研論壇會議中,積極推動磁學在能源領域內的應用,助力顛覆性能源轉換與儲存材料的發展。

不忘初心,持續突破“碩果累累”

隨著在鋰電池儲能機制上的突破性成果,李強老師榮獲“2020中國十大新銳科技人物”獎項。

雖然獲得了一些成就,李強老師帶領課題組不忘初心,繼續保持著對科研的“熱愛”,基于原位磁學測試技術解決了儲能上一個又一個難題,先后在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chemie、Matter、Sci. Bull.、Chinese J. Ctal.、Energy Environ. Sci.、Energy Stor. Mater.、Nano Lett、Chem. Mater.、Chem. Sci. Adv. Sci、Phys. Rev. Appl、Appl. Phys. Lett.上發表了論文,并在《儲能科學與技術》、《物理化學學報》、Renewables、Adv. Energy Mater.等期刊中針對儲能材料中的磁性表征撰寫了綜述文章。

李強老師和學生合影

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