和用來制造餐具、工藝品等生活用品的傳統(tǒng)陶瓷不同，先進陶瓷因具備*的性能，在航空航天、電子信息、生物醫(yī)療、新能源等高科技領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

其中一個與大家日常生活相關(guān)的典型案例，便是種植牙中使用的人工材料——氧化鋯陶瓷。

將這種白色的晶體粉末加工成型并燒結(jié)致密化，使其中的殘余氣孔和缺陷降至*低，氧化鋯陶瓷才能實現(xiàn)光學上的半透明狀態(tài)，從而像天然牙齒一樣具有光澤。

其中，需要說明的是，由于陶瓷的絕大多數(shù)性能，都與其殘余氣孔和缺陷呈強相關(guān)，因此材料是否致密，對于它的使用來說非常關(guān)鍵。

清華大學助理教授董巖皓，自本科以來一直在從事包括氧化鋯陶瓷在內(nèi)的無機非金屬材料研究，主要聚焦陶瓷燒結(jié)和微結(jié)構(gòu)方向，攻克了陶瓷微結(jié)構(gòu)、熱力學和動力學領(lǐng)域存在的多個難題。

博士后時期，他選擇了交叉學科陶瓷材料研究，以能源陶瓷材料為主，在陶瓷質(zhì)子膜燃料電池、高比能鋰離子電池正極材料等領(lǐng)域取得了突破。

具體來說，在陶瓷質(zhì)子膜燃料電池領(lǐng)域，他與合作者提出界面反應(yīng)燒結(jié)概念，設(shè)計開發(fā)了可控表面酸處理和共燒技術(shù)，刷新了其工況條件下峰值功率密度的世界紀錄。

在鋰電正極領(lǐng)域，他與合作者提出滲鑭均勻包覆和陶瓷粉體行星式離心解團等多項創(chuàng)新技術(shù)，闡述了應(yīng)力腐蝕斷裂主導的衰減機理，并修正傳統(tǒng)理論框架下的脆性機械斷裂認知。

憑借致力于通過創(chuàng)新的陶瓷制備理論和技術(shù)，提升先進陶瓷材料的結(jié)構(gòu)功能特性和極端條件適應(yīng)性，以開發(fā)出具有高可靠性和多功能化的新型陶瓷材料，董巖皓成為 2023 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國入選者之一。

提出界面反應(yīng)燒結(jié)概念，改善陶瓷質(zhì)子膜燃料電池的電化學性能和穩(wěn)定性

陶瓷質(zhì)子膜燃料電池/電解池，是氫能技術(shù)中一個與陶瓷相關(guān)的核心器件。

它可以提供 400 至 600 攝氏度的中溫區(qū)應(yīng)用，用于化學能和電能之間的可逆轉(zhuǎn)換，具有高效率、零排放和催化劑選擇靈活等優(yōu)勢。

也就是說，作為燃料電池，其可以用化學物質(zhì)進行發(fā)電；作為電解池，則可以把電用于化學合成和物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

雖然陶瓷質(zhì)子膜本身具有良好的質(zhì)子電導率，但在將它集成到燃料電池或電解池器件時，卻往往無法充分發(fā)揮其本征性能。不僅如此，在大電流密度電解的工況條件下，器件的性能還會迅速衰減。

“因此，在材料和器件的研究與應(yīng)用中，我們需要關(guān)注兩方面問題。一是初始性能，二是長期使用的穩(wěn)定性�！倍瓗r皓表示。

在研究中，他與合作者發(fā)現(xiàn)，導致上述問題出現(xiàn)的原因在于，器件中氧氣電極層和電解質(zhì)層界面處燒結(jié)困難，界面接觸和結(jié)合不好。

針對此，他們提出界面反應(yīng)燒結(jié)概念，并對包括陶瓷制備和燒結(jié)在內(nèi)的一系列技術(shù)進行了創(chuàng)新，讓氧氣電極層和電解質(zhì)層之間實現(xiàn)活性鍵合，以改善陶瓷質(zhì)子膜燃料電池/電解池器件的電化學性能和穩(wěn)定性[1]。

從效果上看，該器件在低至 350 攝氏度時仍具有*的性能，同時能夠在 600 攝氏度、450 攝氏度和 350 攝氏度的條件下，分別實現(xiàn)每平方厘米 1.6 瓦、每平方厘米 650 毫瓦和每平方厘米 300 毫瓦的峰值功率密度。

另外，在 600 攝氏度和 1.4 伏特條件下進行電解操作時，能保持超過每平方厘米 3.9 安培的高電流密度，并且處于穩(wěn)定運行的狀態(tài)。

該成果對陶瓷質(zhì)子膜燃料電池/電解池器件未來的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，起到明顯的促進作用。

回顧該研究中令人難忘的往事，董巖皓表示，自己不是專攻陶瓷質(zhì)子膜燃料電池/電解池領(lǐng)域的專家，很多知識是在與合作者共同研發(fā)的過程中學習到的。

在論文撰寫過程中，董巖皓提出了一種新的數(shù)據(jù)分析策略，而對于所提出的這套分析方法能否獲得該領(lǐng)域內(nèi)審稿人的認可，他起初是存有疑惑的。

“直到論文被投遞至 Nature，審稿人在原創(chuàng)性和重要性層面對我們的研究工作和數(shù)據(jù)分析做出高度評價時，我才進一步確定，這個與該領(lǐng)域主流不同的視角，恰恰是文章能夠發(fā)表的核心因素之一。”他說。

提出多項創(chuàng)新技術(shù)，攻克鋰離子電池氧化物正極失氧挑戰(zhàn)

因具備超高的能量密度，鋰離子電池如今已被用于移動電子產(chǎn)品、電動車、儲能等諸多行業(yè)領(lǐng)域。

它之所以擁有上述優(yōu)勢，核心因素在于很高的電壓和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，而這主要依賴鋰離子電池的正極材料。

例如，通過對氧化物正極材料中氧化還原電位、晶體結(jié)構(gòu)、化學組分等層面的設(shè)計，鋰離子電池能夠在幾百甚至幾千次的充放電循環(huán)內(nèi)，始終提供足夠高的能量密度。

然而，由于電化學上的高電壓對應(yīng)的是化學上的強氧化性條件，因此隨著鋰離子電池的工作電壓越來越高，鋰電正極氧化物中的氧離子也會變得熱力學不穩(wěn)定，并傾向于以氣體形式逸出。

“高電壓誘發(fā)氧釋放會帶來一系列問題。比如，氧氣會和電池的電解液發(fā)生反應(yīng)，當電解液被消耗完畢，電池也就無法再使用；對于軟包電池而言，氧氣將有機電解液氧化之后，會產(chǎn)生大量的二氧化碳，導致電池體積膨脹，也就是我們常說的‘鼓包’�！倍瓗r皓解釋道。

基于此，在不斷發(fā)展高電壓、高能量密度的鋰離子電池的過程中，必須解決氧化物正極失氧這一問題。

對此，董巖皓與合作者提出一種鑭化工藝，可以調(diào)控能量材料近表面結(jié)構(gòu)，超越傳統(tǒng)的表面摻雜方法[2] 。

他們以鋰離子電池中常用的正極材料氧化鋰鈷為例，展示了有效的表面鈍化、抑制表面退化，以及改善的電化學性能，證明其高電壓穩(wěn)定循環(huán)*高可以達到 4.8 伏。

他們所設(shè)計的新的表面相，能夠在高電壓下阻止氧氣逸出反應(yīng)。

“除此之外，我們還可以從鋰離子電池正極材料的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，來解決它的失氧問題�！倍瓗r皓表示。

單晶富鋰錳基正極材料，是一種理想的高性能電極材料，但要想規(guī)�；�生產(chǎn)具有高相純度、優(yōu)良電化學性能的單晶富鋰錳基正極，仍然面臨較大挑戰(zhàn)。

為解決這一問題，董巖皓又與合作者開發(fā)了一種新型機械化學活化工藝，基于界面反應(yīng)潤濕和共晶鋰鹽晶界腐蝕的機理，通過溫和的行星式離心解團工藝，獲得了均勻分散在鋰鹽基體中的過渡金屬氧化物前驅(qū)體。

這種方法能夠分散多晶前驅(qū)體，并在促進良好發(fā)育的單晶形態(tài)的同時，改進了單晶富鋰錳基正極材料的電化學性能和穩(wěn)定性[3]。

期待基于陶瓷材料開發(fā)更多能源解決方案，助力實現(xiàn)“雙碳”目標

實際上，從材料分類的角度來看，應(yīng)用于陶瓷質(zhì)子膜燃料電池的核心陶瓷材料是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物陶瓷，應(yīng)用于鋰離子電池正極的叫做層狀結(jié)構(gòu)氧化物陶瓷。

這兩種材料在材料屬性和整個制備工藝流程上，都具有諸多共同點。

正是基于基礎(chǔ)科學問題的共通，再加上董巖皓對于材料基礎(chǔ)理論的理解，才讓他得以在這兩個看似差異較大的領(lǐng)域，都做出了突破性成果。

談及研究上述領(lǐng)域的初衷，董巖皓表示：“它們都是和能源相關(guān)的領(lǐng)域。在我看來，能源問題是我們這個時代的青年面臨的一個全球性挑戰(zhàn)。我希望能夠通過自己的努力，在專注陶瓷材料研究的同時，提出與之相關(guān)的能源解決方案，從而助力實現(xiàn)‘雙碳’目標�！�

目前，董巖皓主要致力于研究高可靠性和多功能化的新型陶瓷材料，既希望能夠通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、塑性變形響應(yīng)等層面，提高先進陶瓷材料的可靠性，又期待將具有力學、電學、光學等功能特性集成到同一個材料中，以創(chuàng)造出更多新的應(yīng)用場景。

據(jù)介紹，董巖皓出生于安徽省舒城縣，2012 年本科畢業(yè)于清華大學材料科學與工程系，后赴美國賓夕法尼亞大學攻讀材料學博士學位。

2017 年，他來到美國麻省理工學院開展博士后研究，并從 2022 年 7 月起入職清華大學材料學院，擔任助理教授。

回想讓自己印象*深刻的科研經(jīng)歷，董巖皓表示是博士期間研讀一篇論文，*初雖然覺得很有價值，但并不能真正讀懂，后來經(jīng)過一年多的反復(fù)閱讀，終于在某一天頓悟，并給自己日后的研究帶來了很大的影響。

其實，每個學習者在學習的過程中，都免不了會遇到相似的瓶頸時期。

根據(jù)自己的經(jīng)驗，董巖皓也給出了如下建議。

首先，要滿懷信心地堅持自己所選擇的事情，不能一碰到困難就打退堂鼓。

其次，要多從基礎(chǔ)教育中尋找力量，來幫助自己把手頭上的工作做得更穩(wěn)、更深。

例如，“有志者，事竟成”，是大家從小就熟知的一句古文。

在董巖皓看來，其中的‘志’，其實是一個內(nèi)涵豐富的概念，不僅包括對未來的雄心壯志，還包括自身的勇氣、毅力，以及為了實現(xiàn)目標所付出的實實在在的努力。

“這是我*近共鳴*深的一句話，也期待它能給大家更多啟示�！倍瓗r皓如是說。