自 1999 年起，《麻省理工科技评论》每年都会评选出“35 岁以下科技创新 35 人”，涵盖范围包括生物医疗、智能计算、新能源、新材料等几乎所有新兴技术领域。2021 年“35岁以下科技创新 35 人” 亚太区正式落地中国，已在杭州未来科技城发布两届。

为聚集全球创新人才和资源，搭建展现“青年人”智慧与潜力的舞台，《麻省理工科技评论》中国于2023 年 11 月 2-3 日 在 杭州未来科技城·国际会议中心举办2023《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”亚太区发布仪式暨青年科技论坛。

科技创新的奇迹总是来源于梦想的火花，本次活动我们将以「I have a dream」大梦想家作为主题，让更多人看见他们追求梦想之路，让一个火苗点燃他们无穷的势能。

以下是新加坡国立大学高级二维材料与石墨烯研究中心主任、智能功能材料研究所联合主任、材料科学及工程系杰出教授、物理系杰出教授、电机与计算机工程系教授Antonio H. Castro Neto在《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”青年科技论坛的精彩讲话，由云现场整理。

大家早上好！我今天来到这边与大家分享一下未来，谈一下未来的这些电池技术。

为了了解未来，我们必须审视过去。首先我的第一张PPT，大家可以看到这是一个过去的照片，这是一张油画，这张油画展示了电池之父在拿坡仑皇帝面前展示电池的技术，也是想要拿坡仑给他提供相关的资金，让他去研发进一步发展电池的技术，这好像是我们现在科学家每天所做的想要申请一些资金去做研究。大家看到他的桌上摆了一些早期的电池，可以看到拿坡仑对电池也非常感兴趣。这是1801年时候的油画，之后电池技术也出现了长足的发展。

但其实它的原理都是一样的，所以现在我们看到的电池原理和200多年前的电池原理是完全一样的，大家看到它的电池原理非常简单，我们有两个电极、电解质和很多的离子，当我们在两个电极之间加上一些电压，这样的电解质就会出现流动。这两个电极之间出现了不同的变化，在放电和充电的过程中，离子会出现不同的流动，会出现相反方向的流动。一般来说我们在电解质中有这样的分离器，是一个多孔的薄膜，所以说这样也是防止相关的现象发生，这方面我不一一赘述了，这是一个非常简单的现象和非常简单的物理方面的知识。大家可以看到这是非常简单的原理，更重要的一点是所有的这些电池是液态电池，他们这些离子的介质是液态的。

当你们让这样的一些离子进行流动的时候，电解质就会被加热，就好像一个水壶一样，这时候离子进行移动，电解质会变得越来越热，他们会变成蒸汽。当他们变成蒸汽或者气体之后会出现一些情况，这时候电池或者电池内部的压力会增加，一次又一次之后这样的过程会使得电池爆炸。

对于电动汽车、电动飞机或者卫星都是用电池来驱动的，人们就会有很大的担忧，会出现更多的事故。这也是因为电解质的温度上升以及电池压力的上升造成很多的事故，如果我们转换一下思想，如果我们不用这些电解质的话会怎么样，这又是下一代的电池。这种电池现在还没有在市场上推出，但是它的原理非常简单，就是说我们用固态的介质去替代本来液态的介质。它的原理还是一样，会有正极、负极、阴极、阳极，离子的流动是通过固态的介质进行的，这是非常简单的原理。当你加上相关的电压就会出现这样的流动，这时候就会有一种限制，你要使用什么样的固体物质进行运转，必须是一种离子导体。我们并不是使用任何的固态物质，人们去研究了很多不同的电解质，问题或者科学上的问题就是说这样的离子如何可以在固态的物体中进行移动呢？因为液体的物质有更多的空间让这些离子进行移动，但是这个固态限制就很大，所以它必须要有相关的尺寸。大家可以看到电子其实大概是它的尺寸的一半。大家可以看到也就是在固体离子的周围进行这样的排布。

这种离子如果去移动是量子的方法来进行计算，通过量子物理还是经典物理的模式下去实现这样的锂离子的运用。我们目前有很多的液态电池，没有固态电池，发现有很多问题需要我们去解决。如果我们希望能用固态电池解决问题的话首先就需要解决我们前面所说的问题，否则就无法实现合理的固态电池。科技就是这样子的，技术基于科学去构建。所以必须要有科学的基础。大家可以从这个例子了解一下，这边有各种不同类型的固态电解液，这边所给大家看的就是离子导电性，可以测量出离子在固态电解液当中移动的容易程度。

大家在这边可以看到温度，通过这个图，离子的导电性随着温度的升高而升高，所以离子的导电性对于温度来说是非常敏感的。同时大家也看到这边看上去像是意大利面一样的在桌子上，有这样的斜率还没有被我们掌握和理解，这样的弧度也就是我们的研究课题、研究方向。所以它的基本原理是什么？如何去控制这些弧度或者斜需。如果我们能去预测出一种新的材料，基于这样的原理并构建这样的材料，我相信我们就有解决方案。所以固态电池当中，我们需要去看一下50年代的时候半导体行业中的一些情况。半导体在50年代的时候，当时还是试着去解决在半导体中电子是如何移动的，我们对于固态电池的知识就和50年代的半导体情况非常相似，我们还在思考离子如何在固态介质当中移动，这是一个比较新的领域。

我来进一步跟大家分享，先让大家了解一个基本情况。在固态物质中我们是有晶体的，晶体是原子的定期安排机制，也就是说离子会定期在这个时间当中出现晶体的移动。所以大家可以看到这边的电位，有最小能量、最大能量以及稳定点的情况，所以大家可以看到这个导电性是由三个因素决定的，一个是离子的电荷，还有移动电子的数量，也就是移动性。

我们再回到半导体的故事，大家在计算在半导体中电子的移动性是如何的。如果我在这个电位上有离子，最小的离子是无法移动的，会卡在那个位置。和电子不一样，离子会基于量子物理的理论，它是无法移动的。但是我们说在这个马鞍点位置上面可以从一个极小的值移动到另外一个极小的值，这就解释了离子的导电性，因为离子是有热分布效应的。只有高于最小能量的离子才能移动，更加困难的部分是关于流动性、移动性，也就是大家看到这些弧度的斜率有关，这是什么决定的呢？我们在某些形势下可以体的新的晶体，有非常大的电子移动性，如何实现呢？这是从科学的角度来看，在液体和固体、晶体之间有显著的区别，涉及到对称性的主题。液体具有连续平移和旋转对称性，但是晶体固体不一样，打破了连续的平移和旋转的对称性，晶体是基本的。这也就体现出了离子的移动性。

我和一些年轻人一起新加坡做了研究，我们去了解固态物质中离子移动的原理是什么。我们再来看一下公式，这也是Rodin公式，这边可以看到给出的迁移率，这边是迁移率的导数或者摩擦系数，密度越高，运动性就越高。还有一个是固体的升速越大，这个移动性也就越大。所以不用管这边的数学公式是什么样的，但是通过这样的哈希的方法去测量出曲率，也就是固体中原子式的曲率。我们可以看到这边我们所说的东西，固体离子移动取决于固体的本身情况。电子是不涉及拓扑的，但是离子这边是涉及到拓扑学的。

我们再回到这个公式，我们就是用这个DFT原理来做，我们可以计算出离子的移动性，基于四原则的离子移动性。我们可以预测出固体在导电方面的优越性到底有多好。

我给大家一个结论，就是固体电池技术主要依赖于增加固体中离子的移动性，这就和我们前面说的50年代、60年代半导体行业追求解决东西是有相似形。与液态电池不同，固态电池的迁移率取决于晶体移动、拓扑结构等等。我们想研究出新的晶体结构，具有更高的迁移率，这就是未来。

以上是我的分享，谢谢各位！