窦浩桢：创新的种子藏在“不确定性”中
窦浩桢：创新的种子藏在“不确定性”中
水是生命之源，润泽万物，无声无息，却蕴藏着破解未来能源安全难题的无限可能。然而，当水被注入电池，与储量丰富的锌相遇，为锌离子提供移动的介质，便赋予了电池本质安全的特性——不易燃、无毒环保，也由此成为叩开未来能源安全的一把钥匙。
第一次将水系电解液放入电池的微观世界时，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）研究员窦浩桢或许并未想到，这捧水将贯穿他的整个科研生涯，也把他带向一次次与“不确定性”的正面交锋。
“科研的魅力，恰在于不确定性中藏着创新的种子，那些‘意外’和‘挫折’是校准方向的罗盘。”窦浩桢说，“从2020年到现在，在水系锌基电池研究中，我最大的收获就是学会与‘不确定性’共处，在“安全、成本、性能”的多重约束中，找到那条通向实用化之路。”
窦浩桢。受访者供图
“兴趣”与“国家需要”的奔赴
窦浩桢对水的关注，起初来源于兴趣。他坦言，自己对“水”这种地球上最安全、最常见的介质所蕴含的能量，充满了天然的好奇。“水是安全的、环保的，它不像有机溶剂那样易燃易爆，我想知道，能不能利用好这种本质安全的介质，让它为能源存储服务。”
但真正将兴趣转化为坚定不移的选择，是他在求学过程中的一次次深刻认知。随着国家提出构建新型能源体系，风能、太阳能等可再生能源的大规模并网，对大型储能技术提出了前所未有的迫切需求。这种需求，不仅要求储能设备具备高安全性，还对其资源丰富度、成本可控性提出了刚性约束，为水系锌基电池打开了想象的空间。
“我意识到，这个方向的社会价值很大。”窦浩桢说，“锌的资源储量充足，水作为电解液介质，安全性和成本优势是本质性的。如果能攻克技术瓶颈，它或许就能成为支撑国家能源转型的一块基石。这种‘被需要’的感觉，让我觉得这个方向值得深耕。”
于是，在兴趣的驱动与国家需求的牵引下，窦浩桢将目光投向了大连化物所——这座在化学化工、特别是能源催化转化领域底蕴深厚的科研院所。“这里有顶级的平台和严谨的学风，我想，如果在这里扎下根，就能接触到最前沿的问题，得到最扎实的训练。”他说。
进入研究所后，“国家需求”不再是宏大而遥远的概念，而是具象化为每一天实验中的技术指标。“它具体化为成本要低于每瓦时多少钱，循环寿命要超过多少圈，安全测试要通过哪些严苛的标准。”窦浩桢说，这决定了他的研究不能只停留在发表论文的层面，而必须始终盯着“实用化”这个靶心。“任何选题，我都会先问自己：它能不能解决产业化道路上的一个真实存在的问题？成本和安全的底线能不能守住？”
抱着这样的想法，他第一项研究就瞄准了水系锌电池最核心的痛点——锌负极的枝晶生长问题。这是导致电池短路、寿命缩短的“罪魁祸首”。“当时我就想，能不能不从材料堆砌的角度，而从电解液的基础相互作用入手，去理解和调控锌离子的沉积行为？”这个想法在最初是稚嫩的，却为他打开了一扇通往微观世界的大门。
给锌离子穿上“防护服”
在研究初期，窦浩桢就遇到了第一个“拦路虎”——观测“难”。锌枝晶在水溶液中生长速度快，环境复杂，传统的表征手段就像用肉眼看细菌，根本无法捕捉其微观的形成过程。
“看不到，就没法理解；不理解，就没法调控。”窦浩桢说。为了突破这一瓶颈，他联合团队搭建了原位观测平台，就像给电池装上了一台“实时摄像机”。经过反复调试，他们终于直观地看到了枝晶从萌发到生长的完整“生长轨迹”。“那一刻非常兴奋，就像第一次在显微镜下看到了细胞分裂。”这个成果不仅明确了抑制枝晶的关键界面特征，也为后续精准设计电解液提供了直接证据。
解决了枝晶问题，电解液的挑战又接踵而至。传统水系电解液中，水分子会与锌离子紧密结合，在充放电过程中不可避免地引发析氢、腐蚀等副反应。如何让活泼的锌离子在水环境中“安分守己”？
窦浩桢想到通过溶剂化结构重构来抑制副反应，他用了一个生动的比喻来解释这项工作：“你可以想象给锌离子‘挑保镖’和‘定规矩’。”他笑着说，“锌离子在水里‘游动’时，周围会包裹一层水分子，但这些水分子并不安分，它们会‘腐蚀’锌电极。我们的工作，就是在电解液中加入特定的‘添加剂’，也就是我们说的‘保镖’。这些‘保镖’能更紧密地吸附在锌离子周围，替换掉一部分有害的水分子，形成一层稳定的‘保护壳’。同时，我们调控电解液的整体成分，让这层保护壳在充放电过程中保持稳定，就像给离子穿上了一件定制的‘防护服’。”
通过给锌离子设计这层精妙的“防护罩”，他们成功抑制了副反应，大幅提升了电池的库仑效率和循环稳定性。
而在追求高性能的同时，安全和成本也是团队的‘一票否决’项。窦浩桢的语气变得严肃起来：“任何新材料、新工艺的引入，我们首先要评估它的毒性、燃爆风险，以及原料价格和加工复杂度。很多‘高性能’但昂贵或不稳定的方案，我们在立项阶段就会主动放弃。研发就是在多重约束中寻找最优解。”
“顶天立地”的传承
水系锌基电池毫克级的扣式电池在实验室研究成功后，窦浩桢和团队将目光放在了工业化应用上。
“最大挑战是均匀性和一致性的控制。”窦浩桢坦言，实验室里的扣式电池对微小缺陷并不敏感，但放大到安时级软包电池后，任何微小的电极厚度不均、电解液浸润不佳，或界面副反应的累积，都会被无限放大，导致电池提前失效。“我们花了大量精力去优化电极浆料的制备、封装工艺和化成流程，确保大电池内部状态的均一。这远比实验室‘做几个好样品’复杂得多。”
当团队成功制备出稳定的5安时软包电池时，窦浩桢将其视作一个“里程碑”。“它意味着我们从实验室的‘材料研究’迈向了‘产品原型开发’阶段，证明了我们技术路线的工程可行性。”但他也同样清醒地知道，“距离真正的商业化，比如应用于储能电站，我们还需在成本、寿命和系统集成上再提升一个数量级。路还很长，但我们的方向越来越清晰。”
在研究过程中，团队还引入了一套全新的研究范式——“高通量智能设计平台”。这一平台改变了过去依赖经验、试错式的研发模式，通过机器学习和模拟计算，几天就能虚拟筛选数千种组合，快速锁定最有潜力的方向。
“效率是量级的提升。”窦浩桢说，“更大的冲击在于思维方式的转变。它要求我们将化学知识转化为算法可理解的‘描述符’，促使我们更深入地思考构效关系的本质，从‘经验驱动’迈向‘数据与模型双驱动’。”
当被问及谁对其科研思维影响最深时，他毫不犹豫地提到了自己的博士后合作导师、能源催化转化全国重点实验室主任陈忠伟研究员。“他教会我最重要的一课，就是‘做有用的科研’和‘对数据诚实’。”窦浩桢回忆道，“他强调，真正的创新要能解决真问题，而严谨是科学的生命线。”
如今，作为导师的窦浩桢也正在努力传承这种“顶天立地”的追求。“顶天是探索科学本源，“立地”是心系实际应用。
“科研是探索未知，导师无法时时推着走。”窦浩桢说，“有内驱力的学生，会主动学习、思考并提出想法。扎实的基础和执行力是必备的‘腿脚’，天马行空的想象力是宝贵的‘眼睛’，但驱动他们前进的‘心脏’，必须是源于内心的好奇与热爱。”
展望未来，窦浩桢描绘了一幅清晰的图景：水系锌基电池将在分布式储能、备用电源、低速电动车等对安全和成本敏感的领域率先规模化应用。而他和团队最大的目标不是简单地发表论文，而是成为推动这项技术从实验室走向产业化的关键力量之一。“我们希望能实现核心材料的规模化供应和制造工艺的突破，为社会提供一款真正安全、便宜、好用的储能产品。”