近日，中國科學院北京奈米能源與系統研究所魏迪研究員團隊，打造了一種離子電子學儲能器件，其輸出功率密度達到 15900Wm-2，體能量密度為 9.46Whcm-3，高於常規的鋰薄膜電池。
研究中， 課題組透過實驗和分子動力學模擬仿真，既最佳化了堿金屬離子在二維奈米流體通道中的傳輸，也最佳化了電極界面限域的氧化還原反應。
並使用醫療器械級超聲噴塗裝置，將鹽差能儲存在亞微米級的聚合物薄膜側壁邊緣，實作了鹽差能在人員攜行式電子器件領域的套用。
此外，這款離子電子學儲能器件在設計上采用垂直結構。這種結構的好處在於，可以使用高效率、低成本的方法，來克服縮短電極間距的難題，而這是平面型結構很難達到的目標。
基於這種垂直結構的離子電子學記憶體件，該團隊提出一種基於滲透效應的離子電子學儲能方法，為開發超薄的可再生安全能源提供了範式。
透過利用聚合物薄膜的側壁邊緣，既可以透過噴塗厚度來降低膜的厚度，又能很好地使用聚合物薄膜的物理支撐。
（來源：Nature Energy）
日前，相關論文以【基於滲透效應和電極氧化還原反應的垂直結構離子電子學儲能】（Vertical iontronic energy storage based on osmotic effects and electrode redox reactions）為題發在 Nature Energy [1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature Energy）
中國科學院北京奈米能源與系統研究所魏迪研究員和中國科學院外籍院士王中林擔任共同通訊作者。
圖 | 魏迪（來源：魏迪）
首創新的學科方向：離子電子學
離子電子學（Iontronics），是魏迪在 2020 年左右凝練和定義的一個學科方向。當時，很難查到這個英語名詞。於是，他便將自己實驗室的名字起名為——離子電子學實驗室[2]。
與矽基電子器件不同的是，離子電子學器件依賴離子作為載流子傳遞訊號，這讓控制電荷通量成為可能，並能像神經一樣調節離子電流的方向和大小，從而對訊號進行放大，並能在高頻下工作。
但是，離子電子學器件的離子輸執行為，很難像生物膜中那樣被精確地調控和耦合。生物膜中的離子通道，尺寸一般在奈米範圍。
而奈米限域空間內的電荷吸引和空間位阻，會限制離子的無序運動，使其在限域孔道內形成有序超流。
憑借奈米結構的量子限域作用，導致很多需要高溫才能發生的化學反應、或者需要低溫才能發生的物理現象，在室溫下就可以實作。
雙電層，是奈米尺度內離子電子耦合的關鍵界面。而如何構建有效的雙電層體系，是領域內最為關鍵的科學問題。
從雙電層概念首次被提出，至今已有將近 200 年的歷史。但是，對於這一概念人們了解得並不透徹，多年來關於這一概念的模型，也在不斷發生前進演化。此外，近年來人們也發現了新的科學問題。
針對離子電子學的研究，最早可以追溯到 18 世紀。當時，義大利醫生和動物學家伽伐尼（Luigi Galvani）在青蛙肌肉上進行了一項電生理實驗，讓研究離子調控、耦合離子/電子電荷轉移和訊號交換之間關系，成為了一門新興學科。
後來，基於生物系統人們發明了多款奈米級的離子電子學器件，比如離子通道和離子泵等。
就近些年來說，1978 年曾有學者憑借氫離子泵的成果獲得諾貝爾獎，2003 年曾有學者憑借鉀離子通道的成果獲得諾貝爾獎，2021 年則有學者憑借鈣離子通道的成果獲得諾貝爾獎。
在生物系統之中，奈米限域空間中的離子輸運過程，能被調控得十分精準。這是因為隨著離子所在空間尺寸的減小，離子之間的作用力也會發生改變。
在直徑介於 2nm 和 100m 間的奈米限域系統中，靜電力占據主導地位，離子傳輸主要由雙電層調節。
在直徑小於 2nm 的亞奈米限域中（即類似於生物膜離子通道孔徑的範圍），空間位阻效應、氫鍵和分子間範德華力等，將在離子行為的調節上發揮更重要的作用，
近年來，在這種直徑小於 2nm 的亞奈米限域中，離子的一系列異常行為已經得到驗證，例如雙電層重疊、離子庫侖阻塞、超離子態、離子-離子相關性、離子超密堆積和電中性擊穿等。
同時，在亞奈米限域空間中，經典的力學方程式和熱力學方程式，比如 Navier-Stokes 方程式、Kelvin 方程式和 Hertz-Knudsen 等方程式都受到了挑戰。
為了解決古老的待解難題，並透過「站在前人的肩膀上」，該團隊將雙電層調控定位主要方向之一。
魏迪表示：「能源是文明的基礎。當前化石能源正在面臨枯竭危機，由此引發的能源危機，再加上鋰離子電池回收難帶來的環境汙染問題，讓人類不得不思考是否有更加環保、更具生物友好性的能源。」
滲透能的原理，是利用海水和河水鹽差的藍色能源，具有較高的環保優勢。但是，如何讓滲透膜兼具高效率和高厚度，一直是「魚和熊掌不能兼得」的難題。
另外，滲透能還對液體存在一定的依賴，導致它很難被直接用於高能量需求的電子器件上。
詳細來說，滲透膜如果太厚的話，就會產生離子極化。要想達到理想的離子選擇效率，理論上要薄至 1μm 左右。而這個級別的厚度，會讓膜的物理強度成為一個大問題。
事實上在自然界的方方面面，都存在著基於鹽差的滲透能。從生物細胞結構到人體腺嘌呤核苷三磷酸能量，都被滲透能所驅動著。
同時，滲透能通常存在於水系體系之中，不僅不具備便攜性，同時在冰點下難以工作。為此，課題組開展了一系列的工作。
已產出多項成果，為類腦計算等方向打下基礎
此前，該團隊利用二維奈米流體通道對於陽離子的超級導通特性，讓空氣濕度驅動滲透能得以照進現實。
同時，透過自愈型離子液體凝膠，可以實作類固態的滲透能，並且可以進行插拔自組裝。
最關鍵的是在零下 40 度，滲透能依然可以工作。目前，透過打印的方式，就可以制備滲透能電池。這種超薄打印電池的厚度，能夠保持在 10μm 以內，甚至可以放入人的眼睛。
同時，還可以把滲透能電池打印在紙張上，將能源、溫度傳感、近場通訊（NFC，Near Field Communication）射頻都整合在一張紙上，從而做出 100% 透氣的紙基電子器件，進而即時地將人體溫度資訊傳遞出來。
也可以把不同的二維奈米流體材料的墨水罐裝在不同的鋼筆裏，這樣一來就能把任意絕緣的基質，變成可以供電的電池，從而解決儲能電池自放電的難題。
從雙電層 Stern 緊密層、擴散層、再到德拜半徑，每一個基礎概念之中都蘊含著巨大的科學問題。
同時，對於宏觀離子電子學器件的效能來說，每一個納微觀結構都會帶來巨大的影響。而該團隊透過對奈米通道進行設計，並對雙電層重疊進行調控。
當處於德拜半徑大小範圍內的時候，負電通道內的陽離子，會產生極快的透過速度。
魏迪等人則將帶負電的氧化石墨烯二維奈米流體通道材料，成功打印在平面之上，從而提出基於滲透能電池的平面打印工藝。
當傳統三明治結構的電池、變成可被打印的平面結構時，要想增加電池能量密度，就可以采取空間拓撲的數學方法，即在單位面積內放置更多的節點。
在皮安諾曲線的思路指導之下， 他們在單位面積內產生了最大的能量密度。僅僅一小片紙就可以產生 200V 的高壓，能用於給家用電子器件供電。
此外，打印在紙張上的電池，也可以采取折紙或剪紙的物理設計方法，做出其他新穎的電子器件。
再後來，他們透過接觸起電的方式，針對絕緣體-液體固液界面雙電層中的離子電荷載流子，實作了動態調控，達成了高效率的能量收集和資訊傳輸，並提出摩擦離子電子學的新名詞。
詳細來說，他們透過固-液接觸起電誘導的帶電去離子水霧，來調節絕緣體表面的奈米限域擴散層內的離子電荷密度，借此開發了直流摩擦離子電子學奈米發電機。
基於原位離子電荷補充策略，其可以產生高效的離子-電子耦合直流輸出，在 0.10Hz 的低執行頻率，實作了 126.40W/m2 的超高峰值功率密度。
此外，透過固-固接觸起電方式構建的雙向電場，可以動態調控亞奈米限域致密層內的離子電荷分布，從而以遠端方式來調控擴散層的離子電荷極性。
這樣一來，就能將接觸起電過程中的物理接觸資訊儲存為擴散層中的離子電荷極性資訊，進而轉換為對應的電子學資訊，最終可用於構建仿生神經回路和無源人機互動介面。
也就是說，讓摩擦離子電子學對電荷的極性、數量和型別進行微調，為高效能量收集和仿生神經形態計算的套用提供了通用範式。
研究中，課題組從界面的雙電層性質出發， 仿照神經傳輸系統構建了離子-電子調控資訊流的橋梁，為新模式下的界面性質控制、生物傳感器、腦機介面控制等提供了研究思路。
對於這種摩擦離子電子學器件來說，它在高效的能量收集、界面雙電層的精確控制、仿生神經系統的快速調控等方面可能會引發廣泛的研究興趣。
能量，本質上也是資訊流。因此，這種基於雙電層調控的離子電子學，將為類腦計算等方向打下基礎。
後莫耳時代，如何打造高效能量和資訊流？
從無處不在的物聯網、到高度整合化的人類大腦，能源效率在資訊流動中均起著重要作用。
物聯網由廣泛分布的大量電子學傳感器組成。而隨著莫耳定律的即將終結，傳統的電子學馮·諾依曼計算架構正在面臨著一些挑戰，特別是大數據時代這種挑戰變得更加嚴峻。
當前，人類對於數據和資訊的需求，呈現出日益快速增長的趨勢，因此迫切需要一種更加高效的仿神經形態計算範式。
對於人類大腦的啟用來說，它可以被定義為「由資訊驅動的神經膠質單元中的能量流的重新組合」，這種組合會導致能量利用效率的增加。
近年來，以人類大腦為啟發，圍繞離子電子學這一新興概念，關於神經形態裝置的課題引起了學界的極大興趣。
對於離子電子學來說，它可以在互動界面上耦合離子/電子電荷的轉移，與此同時它能以訊號交換的方式，產生更高的能量傳遞效率。
事實上，人腦就是一種典型的高度整合型離子電子學中心處理單元，人腦的平均功耗僅為 12W。而構建一個同等算力的類腦整合電子學系統，其功耗至少要達到幾十百萬瓦。
在離子電子學中，雙電層采用這樣一種工作原理：透過離子電荷的動態傳輸和重新排布，來控制電子的運動，從而提供一種新的替代範式，故能在後莫耳時代提供所需要的高效能量和資訊流。
因此，未來該團隊依然會聚焦於雙電層調控的離子電子學。在此前發表的一系列論文中，他們曾闡釋了在奈米限域空間之內，雙電層中的德拜半徑對於離子輸運的影響。
對於人體來說，中樞神經系統的訊號傳遞只需要消耗極低的能量。同時，神經訊號動作電位的傳導，本質上是由雙電層中離子傳遞實作的。
針對固液界面的雙電層結構，學界已經研究了一個多世紀。但是，到底該如何對其進行微調？這依然是一道待解的難題。
因此，未來他們準備透過奈米通道的設計、以及采用接觸起電等方式，來對雙電層進行動態調控，從而構建新型離子電子學器件。
「人生就像藏起來的盲盒」
作為一名科學家 魏迪表示：「研究的樂趣在於不確定性，這正如人生一樣。不確定性會給人帶來未知的惶恐，但同時不確定性也意味著無限可能。」
二十世紀末當他從中科大本科畢業時，他原本要遵循科大畢業生傳統路徑：拼 GPA 和 GRE 拿全獎去美國讀碩博。
「可是由於當時美國炸南斯拉夫使館，中美關系冰封，美國拒簽了師兄師姐們，我畢業那年考完 GRE 也沒去美國。面臨所有努力帶來的不確定，我靠拼 GPA 爭取到系裏當年僅有的兩個交換到北歐芬蘭的名額。」他說。
魏迪繼續表示：「在芬蘭，我用一年完成了碩士學位，兩年半完成了博士學位，並以年度最高分畢業。由於創造了該校的歷史記錄，芬蘭媒體和瑞典媒體對我和本科母校中科大進行了報道。」
圖 | 芬蘭和瑞典媒體對魏迪及其母校中科大的報道（來源：魏迪）
他繼續說道：「2007 年博士畢業後，我同時拿到英國牛津大學和劍橋大學博士後的錄用通知，後來決定加盟劍橋大學電子工程系，我博士後的合作導師是英國皇家工程院院士 Gehan Amaratunga 教授，他本人也是一名成功的企業家。」
2008 年，諾基亞公司來到英國建立該公司在歐洲最大的奈米技術研發中心。這時，魏迪的職業生涯來到了新的十字路口，到底是留在純學術界還是進入企業？
秉持「做有用的科研」的初心，魏迪跳出傳統科研軌域，進入企業擁抱新的不確定性。
在英國諾基亞奈米技術研發中心，他曾先後擔任高級科學家和首席科學家等職位，並代表諾基亞主持了歐盟石墨烯旗艦計畫能源子項。
其表示：「在這裏也讓我有機會參與英國劍橋奈米技術公司 Emberion 的創辦，這家公司基於我和同事在諾基亞的技術，於 2022 年獲得了 600 萬歐元的融資。」
截止目前，魏迪擁有國際專利申請 161 項、獲授權國際發明 57 項、授權中國專利 27 項，多項專利成功實作轉移轉化，這些專利轉移給了諾基亞 Kinetic UI 部門、電動汽車電池生產商 Lyten、PROVENANCE 等公司，並促成了和谷歌生命科學 Google-Verily 公司的計畫合作。
同時，他還獨立設計了能同時滿足高功率密度和高能量密度的電池結構體系，由此獲得諾基亞研發全球創新一等獎。
圖｜諾基亞研發全球創新一等獎（來源：魏迪）
其表示：「我的一系列專利包，包括奈米材料快速顯色電池專利都被 Lyten 公司收購，該公司後被美國先進動力電池聯盟評選為 2022 年度前十大新興電池公司之一。」
魏迪表示，自己親身經歷了諾基亞透過智慧財產權創造巨額利潤成功從而鳳凰涅槃的全過程，自己的相關智慧財產權也曾實作了成功轉化。
後來，劍橋諾基亞研發中心直接更名諾基亞貝爾實驗室。「這讓我愈發堅定做有用科研的初心，並下定決心回國進行前沿技術研發和孵化。」魏迪說。
2017 年，北京市政府面向全球招聘 2 個政府特聘崗位。魏迪說：「這讓我再一次面臨十字路口的抉擇。我擁有歐洲主流科技產業實驗室的實習經驗和工作經驗，非常想把它放大到國內，建立中國自己的新型研發機構。」
他繼續說道：「我辭職時，貝爾實驗室部門負責人 Sanjay Patel 從美國給我寫信，希望我能留在貝爾實驗室。但是‘做有用科研的初心’使我決定辭職回國。」
為了紀念新的不確定性，他特意把回國機票買在 2017 年 1 月 1 日，在飛機上度過了 2017 年的元旦。
回國之後，他參與了從零到一建設新型研發機構的全過程，並和科技部火炬中心一起編著了【國家科技戰略引擎：新型研發機構】，這本圖書後由中國經濟出版社出版發行。
書中，他首次提出了科學-技術-市場之間三個死亡之谷的概念。「這本書在本質上跳脫了科研本身，從國家戰略維度闡明了科學、技術、市場之間的關系。」其表示。
同樣是在回國之後，他和團隊透過提升電化學活性物質與柔性非金屬集流體的粘合度，以及開發新型凝膠電解質，制備出超耐彎折柔性鋰離子電池。該電池可耐 15 萬次機械彎折而保持將近 100% 電池容量。應北京市科學技術委員會邀請，相關研究成果送展 2019 年「北京科技周」。
而在 2020 年 9 月，在工信部舉辦的「創客中國」智慧制造創新創業大賽中，魏迪團隊的「石墨烯柔性鋰離子電池」計畫獲得了創客組全國總決賽一等獎。
2022 年，魏迪全身心回歸科研，入職中國科學院北京奈米能源與系統研究所，面向產業化深耕科研。他說：「我能從容面對一切不確定性的原因在於，我一直懷揣著做有用科研的初心。」
盡管他所走的路，並不是一條「正規」的傳統學術路線。但正是由於此，才讓他能夠直面未知和不確定性。
「人們常說要相信相信的力量，從而把不可能變成可能，事實上科研也是如此。往前看，做的事情星星點點；往後看，做的事情連成一片。人生就像藏起來的盲盒，活著的意義就是找到它並認真地開啟它。」魏迪表示。
參考資料：
1.Yang, F., Peng, P., Yan, ZY.et al. Vertical iontronic energy storage based on osmotic effects and electrode redox reactions. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01431-4
2.http://iontronics.group/
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