材料科学家鲍哲南教授：聚焦未来 | Cell Press与全球50位科学家

目前，鲍哲南教授课题组聚焦于人造皮肤材料的设计和开发，致力于使材料具备柔性和可拉伸等多种功能。鲍教授的研究整合了包括化学、物理和材料科学等在内的多学科原理。一直以来，鲍教授的研究热情来自于“葆有对事物发展路径的好奇心以及对创造新事物的渴望”。

在2004年加入斯坦福大学之前，鲍哲南教授有近9年在贝尔实验室（Bell Labs）及迅朗科技（Lucent Technologies）担任技术工作人员的经历。她毕业于南京大学化学系，之后在芝加哥大学获得化学硕士和博士学位。

鲍哲南教授是美国国家工程院院士、美国艺术与科学院院士、美国国家发明家学会会士、中国科学院外籍院士。除了在学术上颇具建树外，鲍哲南教授还是两家硅谷风险投资初创公司的联合创始人。

在本次访问中，鲍教授聚焦材料科学的未来，同时为刚刚崭露头角的青年学者们给出了她的建议。

液体电解质：实用锂金属电池的纽带

商用锂离子电池的比能量正逐渐接近理论极限。未来消费电子和电动汽车市场对高能量密度锂金属电池的迫切需求，无奈受制于锂金属电池循环性能不佳的问题。电解质工程为解决此类问题提供了一种有前途的方法，并在近期的实际应用中显著提高了电池的循环寿命。然而，当前锂金属电池的性能仍与商业化发展需求存在差距，要取得进一步发展，就需要对现有电解质设计方法进行系统分析优化与改进。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule发表综述“Liquid electrolyte: The nexus of practical lithium metal batteries”，作者首先总结了锂金属电池中开发高压正极所适用的先进电解质的最新方法。接着，作者阐述了符合要求的先进电解质所具有的共同特征，最后讨论了未来电解质设计的合理策略和发展方向。

锂金属负极的人工固体电解质界面设计原则

锂金属是一种极具潜力的负极材料，能够为下一代电池提供高能量密度。然而，由于循环效率低，锂金属尚未获得实际应用。循环效率低的原因是形成了不稳定的固体电解质界面（SEI）。使用传统液体电解质形成的SEI具有异质性，在电池循环过程中容易造成开裂，导致锂枝晶和死锂的形成，从而破坏了电池性能。为了解决这些问题，科学家们致力于用人工SEI（ASEI）取代自然形成的SEI。斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science发表综述“Design Principles of Artificial Solid Electrolyte Interphases for Lithium-Metal Anodes”，文章基于对SEI失效机制的理解，讨论了ASEI设计的三个关键原则：（1）提高机械稳定性，可实现高强度或自适应性；（2）均匀Li⁺通量，使体系具有适中的导电性，甚至可以实现单离子传导；（3）利用化学钝化，以减轻锂与电解质之间的寄生反应。本文对近年来开发的一些ASEI工作进行了分类和阐述，并在文末为ASEI的设计指出了未来方向。

新兴碳材料：碳花（CFs）的合成与应用

多孔碳材料因具有高比表面积、可调节的表面性质、化学稳定性、良好导电性和低成本等优异性能，在储能、气体吸附和催化等领域得到了广泛应用。近年来，一种花瓣状碳材料——碳花（CFs），作为一种新兴的多孔碳材料，因其独特的形状而备受关注。斯坦福大学鲍哲南教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表综述“An emerging class of carbon materials: Synthesis and applications of carbon flowers”，作者总结了从不同前驱体制备CFs的合成策略、表征技术以及形成机制。作者还回顾了CFs的应用、优势以及存在的问题。最后，作者对CFs未来发展的挑战与前景提出了展望。

术后动脉健康状况的无线监测

通过对动脉健康的长期监测，或可实现对肢体缺血、中风和心脏病发作的早期检测。早期狭窄、血流减少和血栓在手术血管搭桥或从病变血管中移除斑块后很常见，并很可能导致上述疾病。通过在手术过程中植入传感器，对患者在手术后进行无线监测，从而实现对患者动脉健康状况的持续监测，以实现对此类并发症的早期诊断。斯坦福大学鲍哲南教授、Paige M. Fox副教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上发表文章“Post-surgical wireless monitoring of arterial health progression”，本文报道了一种在手术中缠绕在动脉周围的无线电容传感器设计，用于术后对动脉健康状况的持续监测。传感器可以对不同大小、不同位置的动脉进行超过20厘米动脉长度的监测，显示出在人体和小动物模型中监测动脉阻塞的强大能力。这项技术有望实现对动脉健康的无线监测，可用于症状前疾病的检测和预防。

设计基于醌类的氧化还原介体以促进锂硫电池中硫化锂的氧化

在锂硫（Li-S）电池中，硫和硫化锂（Li₂S）的绝缘性质导致严重的极化现象和低的硫利用率，并且可溶性的多硫化物在循环过程中引发内部穿梭。此外，通过溶解-沉积途径进行的氧化还原反应会使活性界面钝化，破坏电极结构，从而导致电池性能随循环次数增加而下降。基于此，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表文章“Designing a Quinone-Based Redox Mediator to Facilitate Li₂S Oxidation in Li-S Batteries”，文中，作者利用醌的氧化还原特性，使用Li₂S微粒，实现了锂硫电池的高效、快速和稳定运行。通过在电解质中加入具有特定性质（如氧化电位、溶解度和电化学稳定性）的醌类衍生物作为氧化还原介质（RM），Li₂S电极可以在0.5C倍率下进行充电，初始电压在2.5 V以下，且随后的放电容量高达1300 mAh g_s^-1。此外，氧化还原介质的使用有效防止了死硫化锂的沉积，从而解决了极化增加和容量下降的问题。