科学家提出新型陶瓷理论和技术，助力解决全球能源挑战

和用来制造餐具、工艺品等生活用品的传统陶瓷不同，先进陶瓷因具备*的性能，在航空航天、电子信息、生物医疗、新能源等高科技领域获得了广泛应用。

其中一个与大家日常生活相关的典型案例，便是种植牙中使用的人工材料——氧化锆陶瓷。

将这种白色的晶体粉末加工成型并烧结致密化，使其中的残余气孔和缺陷降至*低，氧化锆陶瓷才能实现光学上的半透明状态，从而像天然牙齿一样具有光泽。

其中，需要说明的是，由于陶瓷的绝大多数性能，都与其残余气孔和缺陷呈强相关，因此材料是否致密，对于它的使用来说非常关键。

清华大学助理教授董岩皓，自本科以来一直在从事包括氧化锆陶瓷在内的无机非金属材料研究，主要聚焦陶瓷烧结和微结构方向，攻克了陶瓷微结构、热力学和动力学领域存在的多个难题。

博士后时期，他选择了交叉学科陶瓷材料研究，以能源陶瓷材料为主，在陶瓷质子膜燃料电池、高比能锂离子电池正极材料等领域取得了突破。

具体来说，在陶瓷质子膜燃料电池领域，他与合作者提出界面反应烧结概念，设计开发了可控表面酸处理和共烧技术，刷新了其工况条件下峰值功率密度的世界纪录。

在锂电正极领域，他与合作者提出渗镧均匀包覆和陶瓷粉体行星式离心解团等多项创新技术，阐述了应力腐蚀断裂主导的衰减机理，并修正传统理论框架下的脆性机械断裂认知。

凭借致力于通过创新的陶瓷制备理论和技术，提升先进陶瓷材料的结构功能特性和极端条件适应性，以开发出具有高可靠性和多功能化的新型陶瓷材料，董岩皓成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

提出界面反应烧结概念，改善陶瓷质子膜燃料电池的电化学性能和稳定性

陶瓷质子膜燃料电池/电解池，是氢能技术中一个与陶瓷相关的核心器件。

它可以提供 400 至 600 摄氏度的中温区应用，用于化学能和电能之间的可逆转换，具有高效率、零排放和催化剂选择灵活等优势。

也就是说，作为燃料电池，其可以用化学物质进行发电；作为电解池，则可以把电用于化学合成和物质转化。

虽然陶瓷质子膜本身具有良好的质子电导率，但在将它集成到燃料电池或电解池器件时，却往往无法充分发挥其本征性能。不仅如此，在大电流密度电解的工况条件下，器件的性能还会迅速衰减。

“因此，在材料和器件的研究与应用中，我们需要关注两方面问题。一是初始性能，二是长期使用的稳定性。”董岩皓表示。

在研究中，他与合作者发现，导致上述问题出现的原因在于，器件中氧气电极层和电解质层界面处烧结困难，界面接触和结合不好。

针对此，他们提出界面反应烧结概念，并对包括陶瓷制备和烧结在内的一系列技术进行了创新，让氧气电极层和电解质层之间实现活性键合，以改善陶瓷质子膜燃料电池/电解池器件的电化学性能和稳定性[1]。

从效果上看，该器件在低至 350 摄氏度时仍具有*的性能，同时能够在 600 摄氏度、450 摄氏度和 350 摄氏度的条件下，分别实现每平方厘米 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 摄氏度和 1.4 伏特条件下进行电解操作时，能保持超过每平方厘米 3.9 安培的高电流密度，并且处于稳定运行的状态。

该成果对陶瓷质子膜燃料电池/电解池器件未来的产业化发展，起到明显的促进作用。

回顾该研究中令人难忘的往事，董岩皓表示，自己不是专攻陶瓷质子膜燃料电池/电解池领域的专家，很多知识是在与合作者共同研发的过程中学习到的。

在论文撰写过程中，董岩皓提出了一种新的数据分析策略，而对于所提出的这套分析方法能否获得该领域内审稿人的认可，他起初是存有疑惑的。

“直到论文被投递至 Nature，审稿人在原创性和重要性层面对我们的研究工作和数据分析做出高度评价时，我才进一步确定，这个与该领域主流不同的视角，恰恰是文章能够发表的核心因素之一。”他说。

提出多项创新技术，攻克锂离子电池氧化物正极失氧挑战

因具备超高的能量密度，锂离子电池如今已被用于移动电子产品、电动车、储能等诸多行业领域。

它之所以拥有上述优势，核心因素在于很高的电压和良好的循环稳定性，而这主要依赖锂离子电池的正极材料。

例如，通过对氧化物正极材料中氧化还原电位、晶体结构、化学组分等层面的设计，锂离子电池能够在几百甚至几千次的充放电循环内，始终提供足够高的能量密度。

然而，由于电化学上的高电压对应的是化学上的强氧化性条件，因此随着锂离子电池的工作电压越来越高，锂电正极氧化物中的氧离子也会变得热力学不稳定，并倾向于以气体形式逸出。

“高电压诱发氧释放会带来一系列问题。比如，氧气会和电池的电解液发生反应，当电解液被消耗完毕，电池也就无法再使用；对于软包电池而言，氧气将有机电解液氧化之后，会产生大量的二氧化碳，导致电池体积膨胀，也就是我们常说的‘鼓包’。”董岩皓解释道。

基于此，在不断发展高电压、高能量密度的锂离子电池的过程中，必须解决氧化物正极失氧这一问题。

对此，董岩皓与合作者提出一种镧化工艺，可以调控能量材料近表面结构，超越传统的表面掺杂方法[2] 。

他们以锂离子电池中常用的正极材料氧化锂钴为例，展示了有效的表面钝化、抑制表面退化，以及改善的电化学性能，证明其高电压稳定循环*高可以达到 4.8 伏。

他们所设计的新的表面相，能够在高电压下阻止氧气逸出反应。

“除此之外，我们还可以从锂离子电池正极材料的微观结构出发，来解决它的失氧问题。”董岩皓表示。

单晶富锂锰基正极材料，是一种理想的高性能电极材料，但要想规模化生产具有高相纯度、优良电化学性能的单晶富锂锰基正极，仍然面临较大挑战。

为解决这一问题，董岩皓又与合作者开发了一种新型机械化学活化工艺，基于界面反应润湿和共晶锂盐晶界腐蚀的机理，通过温和的行星式离心解团工艺，获得了均匀分散在锂盐基体中的过渡金属氧化物前驱体。

这种方法能够分散多晶前驱体，并在促进良好发育的单晶形态的同时，改进了单晶富锂锰基正极材料的电化学性能和稳定性[3]。

期待基于陶瓷材料开发更多能源解决方案，助力实现“双碳”目标

实际上，从材料分类的角度来看，应用于陶瓷质子膜燃料电池的核心陶瓷材料是钙钛矿结构氧化物陶瓷，应用于锂离子电池正极的叫做层状结构氧化物陶瓷。

这两种材料在材料属性和整个制备工艺流程上，都具有诸多共同点。

正是基于基础科学问题的共通，再加上董岩皓对于材料基础理论的理解，才让他得以在这两个看似差异较大的领域，都做出了突破性成果。

谈及研究上述领域的初衷，董岩皓表示：“它们都是和能源相关的领域。在我看来，能源问题是我们这个时代的青年面临的一个全球性挑战。我希望能够通过自己的努力，在专注陶瓷材料研究的同时，提出与之相关的能源解决方案，从而助力实现‘双碳’目标。”

目前，董岩皓主要致力于研究高可靠性和多功能化的新型陶瓷材料，既希望能够通过微观结构设计、塑性变形响应等层面，提高先进陶瓷材料的可靠性，又期待将具有力学、电学、光学等功能特性集成到同一个材料中，以创造出更多新的应用场景。

据介绍，董岩皓出生于安徽省舒城县，2012 年本科毕业于清华大学材料科学与工程系，后赴美国宾夕法尼亚大学攻读材料学博士学位。

2017 年，他来到美国麻省理工学院开展博士后研究，并从 2022 年 7 月起入职清华大学材料学院，担任助理教授。

回想让自己印象*深刻的科研经历，董岩皓表示是博士期间研读一篇论文，*初虽然觉得很有价值，但并不能真正读懂，后来经过一年多的反复阅读，终于在某一天顿悟，并给自己日后的研究带来了很大的影响。

其实，每个学习者在学习的过程中，都免不了会遇到相似的瓶颈时期。

根据自己的经验，董岩皓也给出了如下建议。

首先，要满怀信心地坚持自己所选择的事情，不能一碰到困难就打退堂鼓。

其次，要多从基础教育中寻找力量，来帮助自己把手头上的工作做得更稳、更深。

例如，“有志者，事竟成”，是大家从小就熟知的一句古文。

在董岩皓看来，其中的‘志’，其实是一个内涵丰富的概念，不仅包括对未来的雄心壮志，还包括自身的勇气、毅力，以及为了实现目标所付出的实实在在的努力。

“这是我*近共鸣*深的一句话，也期待它能给大家更多启示。”董岩皓如是说。