第77章 穿梭效應
數學競賽給陳末的生活帶來了翻天覆地的變化，因為全校大會的緣故，如今他走到哪都會成為同學們視線的焦點。
這無疑讓人很困擾。
尤其是上課時，老師們都變著法的找他麻煩。
英語老師林倩一直對陳末在她課上學數學耿耿於懷，在她看來，高考又不是不考英語，憑什麼不重視英語？
某天她故意提問陳末一個超難的語法題，想讓他出醜，陳末站起來，用正宗的英倫腔回答了林倩的問題。
林倩呆住了，
不過從那以後她倒是沒有再在上課時抽陳末起來回答問題了。
她知道，英語93代表的只是陳末的過去。
自從陳末開始學化學，鄧淞元就像打了雞血，每節課都要點名陳末回答問題，而且問題越來越難。
以前他在課堂上總是板著臉，動不動就扔粉筆頭。
現在倒好，每次走進教室，第一件事不是喊上課，而是先往陳末的方向看一眼，眼睛裡帶著某種獵人發現獵物的興奮。
「陳末！」
這不，剛講完氧化還原反應，鄧淞元就點了他的名。
「你來回答一下，高錳酸鉀在酸性、中性和鹼性條件下的還原產物分別是什麼？」
陳末站起來，不假思索，「酸性條件下還原為Mn²⁺，中性條件下還原為MnO₂，鹼性條件下還原為MnO₄²⁻。」
「正確。坐下。」
鄧淞元點點頭，但嘴角的笑意說明他根本沒打算就此罷休。
接下來的課，他每堂課都要點陳末回答兩三次，而且問題越來越刁鑽。
「配位化合物[Co(NH₃)₅Cl]²⁺和[Co(NH₃)₅(H₂O)]³⁺，哪一個更容易發生取代反應？為什麼？」
「如何用價層電子對互斥理論解釋XeF₄的分子構型？」
「給出製備無水氯化鋁的實驗方案，並說明為什麼要隔絕空氣和水蒸氣。」
陳末全答上來了。
每一次回答正確，鄧淞元的眼睛就亮一分，整個人像是磕了藥，講課的聲音都高了三度。
全班同學看得目瞪口呆。
「鄧老師是不是被陳末逼瘋了？」郭超小聲對李澤說。
「我感覺鄧老師不是在考陳末，是在給自己找對手。」李澤搖頭。
「對手？我怎麼覺得他是在養蠱……」
直到有一天，
那天講的是電化學。
鄧淞元照例在課程內容講完後，拋出一道附加題給陳末。
「陳末，我問你一個課外的問題。」
他推了推眼鏡，眼神裡帶著一絲狡黠，「你知道鋰硫電池為什麼難以商業化嗎？從化學角度分析一下。」
教室里安靜了幾秒，感覺鄧老師大概是瘋了，這是高中生能回答的問題？
陳末皺起了眉頭。
他知道鋰硫電池，理論能量密度極高，是傳統鋰離子電池的好幾倍。
但為什麼難以商業化，他確實沒有深入研究過。
「我答不上來。」陳末坦然地搖了搖頭。
教室里響起一陣低低的驚呼。
這還是陳末第一次在鄧淞元面前說不會。
鄧淞元非但沒有失望，反而啪地一拍講台，整張臉都亮了起來。
「太好了！」
他聲音裡帶著壓抑不住的激動：「你終於有不會的了！來來來，我給你講！」
全班：「……」
李澤小聲嘀咕，「老師，您這是盼著他不會盼了多久？」
鄧淞元充耳不聞，已經在黑板上刷刷刷地畫了起來。
「鋰硫電池的正極是硫，負極是金屬鋰，理論能量密度高達2600Wh/kg，是現有鋰離子電池的五倍！但是它有個致命問題，叫做穿梭效應。」
他飛快地在黑板上寫下反應式，
「放電時，硫被還原生成多硫化鋰(Li₂Sₓ，x=4~8)，這些多硫化物會溶解在電解液中，擴散到負極，與金屬鋰反應，生成短鏈多硫化物，然後又擴散回正極，這就是穿梭。
它會導致庫侖效率低下、容量快速衰減，而且金屬鋰負極還會產生枝晶，刺穿隔膜造成短路。」
鄧淞元講得口沫橫飛，手舞足蹈，不知道為什麼，陳末感覺鄧淞元在講這個問題時，身上都在發光，整個人爆發出了極大的熱情。
「所以，科學家們想了很多辦法，用碳材料包覆硫、設計多孔結構吸附多硫化物、開發固態電解質，但至今沒有完美的解決方案。」
他一口氣講了十多分鐘，最後喘了口氣，看向陳末，「懂了嗎？」
陳末若有所思地點了點頭，雙眼卻望著虛空中的某個方向，像是在進行高速的頭腦風暴。
「鄧老師。」
陳末忽然開口，聲音不大，但帶著一種讓人不由自主安靜下來的力量。
「您剛才說，多硫化物的穿梭效應是因為它們在電解液中的溶解和擴散。」
「對。」
「那如果……不讓它溶解呢？」
鄧淞元愣了一下，「不讓它溶解？什麼意思？」
陳末走到講台前，拿起粉筆，在黑板上畫了一個簡單的示意圖。
「如果用一種多孔材料，把硫限制在納米級的孔道里，孔道的大小剛好讓鋰離子通過，但多硫化物分子太大進不去。」
他畫了一個圓，周圍畫了一圈小孔。
「多硫化物被困在孔道里，不就無法穿梭了？」
鄧淞元眼睛一亮：「你是說物理限域？這個思路已經有人做過了，碳納米管、介孔碳、金屬有機框架……」
「不。」
陳末打斷了他，又在黑板上畫了另一個圖，「我說的不是單純的物理限域。
您剛才講配位化學的時候提到過，有些金屬有機框架材料(MOFs)不僅有多孔結構，而且孔道內壁有未配位的活性位點，可以對多硫化物產生化學吸附。」
他越說越快，粉筆在黑板上噼里啪啦地響。
「如果能設計一種雙功能的MOF，孔道尺寸剛好2-3納米，既能物理限制多硫化物，又能通過孔道內壁的極性官能團或金屬位點化學吸附多硫化物，那不就是物理+化學雙重限域？」
鄧淞元張了張嘴，沒說出話來。
陳末還在繼續，「而且，我剛才在您的黑板報上看到您寫了導電性。」
他用粉筆在剛才的圖上加了幾個小點。
「MOF的導電性通常很差，但如果把導電碳材料，比如石墨烯或者碳納米管和MOF複合，形成三維導電網絡，那就能同時解決導電性和穿梭效應兩個問題。」
「甚至……」陳末頓了頓，眼神發亮，「如果在這個複合結構中再加入一些催化位點，加速多硫化物的轉化反應動力學，那電池的倍率性能和循環壽命都能得到提升。」
「你是說，吸附-催化協同策略？」
鄧淞元如遭雷擊，眼中爆發出明亮的光芒，無數靈感湧入腦海。
教室里鴉雀無聲。
全班同學都呆呆地看著陳末，仿佛在看一個外星生物。
周浩呢喃道：「他……他在說什麼？」
這無疑讓人很困擾。
尤其是上課時，老師們都變著法的找他麻煩。
英語老師林倩一直對陳末在她課上學數學耿耿於懷，在她看來，高考又不是不考英語，憑什麼不重視英語？
某天她故意提問陳末一個超難的語法題，想讓他出醜，陳末站起來，用正宗的英倫腔回答了林倩的問題。
林倩呆住了，
不過從那以後她倒是沒有再在上課時抽陳末起來回答問題了。
她知道，英語93代表的只是陳末的過去。
自從陳末開始學化學，鄧淞元就像打了雞血，每節課都要點名陳末回答問題，而且問題越來越難。
以前他在課堂上總是板著臉，動不動就扔粉筆頭。
現在倒好，每次走進教室，第一件事不是喊上課，而是先往陳末的方向看一眼，眼睛裡帶著某種獵人發現獵物的興奮。
「陳末！」
這不，剛講完氧化還原反應，鄧淞元就點了他的名。
「你來回答一下，高錳酸鉀在酸性、中性和鹼性條件下的還原產物分別是什麼？」
陳末站起來，不假思索，「酸性條件下還原為Mn²⁺，中性條件下還原為MnO₂，鹼性條件下還原為MnO₄²⁻。」
「正確。坐下。」
鄧淞元點點頭，但嘴角的笑意說明他根本沒打算就此罷休。
接下來的課，他每堂課都要點陳末回答兩三次，而且問題越來越刁鑽。
「配位化合物[Co(NH₃)₅Cl]²⁺和[Co(NH₃)₅(H₂O)]³⁺，哪一個更容易發生取代反應？為什麼？」
「如何用價層電子對互斥理論解釋XeF₄的分子構型？」
「給出製備無水氯化鋁的實驗方案，並說明為什麼要隔絕空氣和水蒸氣。」
陳末全答上來了。
每一次回答正確，鄧淞元的眼睛就亮一分，整個人像是磕了藥，講課的聲音都高了三度。
全班同學看得目瞪口呆。
「鄧老師是不是被陳末逼瘋了？」郭超小聲對李澤說。
「我感覺鄧老師不是在考陳末，是在給自己找對手。」李澤搖頭。
「對手？我怎麼覺得他是在養蠱……」
直到有一天，
那天講的是電化學。
鄧淞元照例在課程內容講完後，拋出一道附加題給陳末。
「陳末，我問你一個課外的問題。」
他推了推眼鏡，眼神裡帶著一絲狡黠，「你知道鋰硫電池為什麼難以商業化嗎？從化學角度分析一下。」
教室里安靜了幾秒，感覺鄧老師大概是瘋了，這是高中生能回答的問題？
陳末皺起了眉頭。
他知道鋰硫電池，理論能量密度極高，是傳統鋰離子電池的好幾倍。
但為什麼難以商業化，他確實沒有深入研究過。
「我答不上來。」陳末坦然地搖了搖頭。
教室里響起一陣低低的驚呼。
這還是陳末第一次在鄧淞元面前說不會。
鄧淞元非但沒有失望，反而啪地一拍講台，整張臉都亮了起來。
「太好了！」
他聲音裡帶著壓抑不住的激動：「你終於有不會的了！來來來，我給你講！」
全班：「……」
李澤小聲嘀咕，「老師，您這是盼著他不會盼了多久？」
鄧淞元充耳不聞，已經在黑板上刷刷刷地畫了起來。
「鋰硫電池的正極是硫，負極是金屬鋰，理論能量密度高達2600Wh/kg，是現有鋰離子電池的五倍！但是它有個致命問題，叫做穿梭效應。」
他飛快地在黑板上寫下反應式，
「放電時，硫被還原生成多硫化鋰(Li₂Sₓ，x=4~8)，這些多硫化物會溶解在電解液中，擴散到負極，與金屬鋰反應，生成短鏈多硫化物，然後又擴散回正極，這就是穿梭。
它會導致庫侖效率低下、容量快速衰減，而且金屬鋰負極還會產生枝晶，刺穿隔膜造成短路。」
鄧淞元講得口沫橫飛，手舞足蹈，不知道為什麼，陳末感覺鄧淞元在講這個問題時，身上都在發光，整個人爆發出了極大的熱情。
「所以，科學家們想了很多辦法，用碳材料包覆硫、設計多孔結構吸附多硫化物、開發固態電解質，但至今沒有完美的解決方案。」
他一口氣講了十多分鐘，最後喘了口氣，看向陳末，「懂了嗎？」
陳末若有所思地點了點頭，雙眼卻望著虛空中的某個方向，像是在進行高速的頭腦風暴。
「鄧老師。」
陳末忽然開口，聲音不大，但帶著一種讓人不由自主安靜下來的力量。
「您剛才說，多硫化物的穿梭效應是因為它們在電解液中的溶解和擴散。」
「對。」
「那如果……不讓它溶解呢？」
鄧淞元愣了一下，「不讓它溶解？什麼意思？」
陳末走到講台前，拿起粉筆，在黑板上畫了一個簡單的示意圖。
「如果用一種多孔材料，把硫限制在納米級的孔道里，孔道的大小剛好讓鋰離子通過，但多硫化物分子太大進不去。」
他畫了一個圓，周圍畫了一圈小孔。
「多硫化物被困在孔道里，不就無法穿梭了？」
鄧淞元眼睛一亮：「你是說物理限域？這個思路已經有人做過了，碳納米管、介孔碳、金屬有機框架……」
「不。」
陳末打斷了他，又在黑板上畫了另一個圖，「我說的不是單純的物理限域。
您剛才講配位化學的時候提到過，有些金屬有機框架材料(MOFs)不僅有多孔結構，而且孔道內壁有未配位的活性位點，可以對多硫化物產生化學吸附。」
他越說越快，粉筆在黑板上噼里啪啦地響。
「如果能設計一種雙功能的MOF，孔道尺寸剛好2-3納米，既能物理限制多硫化物，又能通過孔道內壁的極性官能團或金屬位點化學吸附多硫化物，那不就是物理+化學雙重限域？」
鄧淞元張了張嘴，沒說出話來。
陳末還在繼續，「而且，我剛才在您的黑板報上看到您寫了導電性。」
他用粉筆在剛才的圖上加了幾個小點。
「MOF的導電性通常很差，但如果把導電碳材料，比如石墨烯或者碳納米管和MOF複合，形成三維導電網絡，那就能同時解決導電性和穿梭效應兩個問題。」
「甚至……」陳末頓了頓，眼神發亮，「如果在這個複合結構中再加入一些催化位點，加速多硫化物的轉化反應動力學，那電池的倍率性能和循環壽命都能得到提升。」
「你是說，吸附-催化協同策略？」
鄧淞元如遭雷擊，眼中爆發出明亮的光芒，無數靈感湧入腦海。
教室里鴉雀無聲。
全班同學都呆呆地看著陳末，仿佛在看一個外星生物。
周浩呢喃道：「他……他在說什麼？」