“因為在充放電過程中體積變化巨大， 錫電極很難保持機(jī)械完整性。假如這個問題可以通過我們提出的方案解決，其他面臨同樣問題的材料，也能用類似方法去設(shè)計鋰電池的表面保護(hù)層。” 美國中佛羅里達(dá)大學(xué)教授、亞歷山大?馮?洪堡學(xué)者、華人科學(xué)家楊陽談及該團(tuán)隊的最新研究時，向 DeepTech 說道。

近日，該團(tuán)隊的論文《 通過銅 — 錫金屬間化合物涂層結(jié)構(gòu)重建錫陽極的穩(wěn)定性》（Stabilization of Sn Anode through Structural Reconstruction of a Cu–Sn Intermetallic Coating Layer）發(fā)表在 Advanced Materials 上。

本次的項目突破，主要在于為電池的一個電極涂上了一層新的保護(hù)涂層 ——銅錫薄膜，應(yīng)用在錫陽極上，這將在整個充電過程中，可以保持電極的穩(wěn)定。同時，能顯著減緩電池的退化，抑制電極粉末化的問題，并能使電池在更長的時間內(nèi)保持更大的電量。

“我們的研究工作已經(jīng)表明，這種薄膜的陽極降解率比通常使用的錫薄膜的減少逾1000%。”楊陽表示。

據(jù)了解，楊陽目前在 UCF 納米科學(xué)技術(shù)中心，所帶領(lǐng)的團(tuán)隊的研究興趣包括先進(jìn)材料以及可再生能源設(shè)備、環(huán)境科學(xué)和智能電子領(lǐng)域的應(yīng)用，專注于設(shè)計和合成具有精確控制的化學(xué)成分和形態(tài)的高度有序的多孔膜、新的電化學(xué)、電子和光學(xué)，并探索這些先進(jìn)材料中產(chǎn)生的最新尖端技術(shù)。

以解決錫材料體積變化為突破點

人類從事鋰電池的研發(fā)已經(jīng)有很長時間，尤其在去年，2019 年諾貝爾化學(xué)獎分別授予約翰?B?古迪納夫（John B. Goodenough）、斯坦利?威廷漢（M.Stanley Whittingham） 和吉野彰（Akira Yoshino），鋰電池的發(fā)展再次強(qiáng)勢引起科技產(chǎn)業(yè)的重點關(guān)注。

追本溯源，上世紀(jì) 70 年代，惠廷厄姆發(fā)現(xiàn)由二硫化鈦制成的材料可以嵌入鋰離子，被用作鋰電池中的陰極。古迪納夫推測，可以用金屬氧化物來替代金屬硫化物制造陰極，經(jīng)過系統(tǒng)研究，在 1980 年證明了嵌入鋰離子的氧化鈷可以產(chǎn)生 4 伏的電壓。在此基礎(chǔ)上，吉野彰使用了焦炭，這種碳材料可以像氧化鈷一樣提供容納鋰離子的空間，鋰離子在陰陽極之間運(yùn)動可以產(chǎn)生電流。

由此，一個輕巧耐用、在性能下降前可充放電數(shù)百次的電池正式產(chǎn)生。鋰離子電池于 1991 年首次進(jìn)入市場，也奠定了無線、無化石燃料社會的基礎(chǔ)。

對此，楊陽稱：“所有的創(chuàng)新在剛開始出現(xiàn)時，科學(xué)上的東西多一點，技術(shù)略微成熟后，工程上的東西更多。但是科學(xué)和工程上的痛點和挑戰(zhàn)一直都存在，鋰電池也是如此。”

鋰電的能量密度有一定的限制。材料越新，能量密度越大，等待科學(xué)解決的東西也越多。

“現(xiàn)在大家研究硅比較多，錫和硅都是合金化儲能的機(jī)理。鋰離子反復(fù)嵌入脫出的過程中，它會有非常巨大的體積變化，不能再保持機(jī)械完整性，循環(huán)時可能有些材料會脫離電解材料主體，造成破損或者出現(xiàn)缺陷，從而導(dǎo)電池壽命降低。” 楊陽表示。

而本次研究的工作原理是，在金屬錫陽極表面涂覆了一層銅錫合金。由于銅錫合金充放電過程中會重新分相，錫可以更容易地和鋰形成合金，在和鋰形成合金的過程中，這兩種金屬元素合金內(nèi)部都有可能分離出來。這個過程比較緩慢，一旦形成這種分相，由于銅可以一直包覆在錫周圍，它能自然地形成一種緩沖層緩解電極體積變化。

通過銅錫合金表面重構(gòu)的過程，會限制錫本身積蓄的體積變化的問題，從而解決潛在的電池壽命問題。

圖 | 合金化 / 脫合金行為示意圖（來源：受訪者）

其中，圖 a 為純錫膜陽極，不均勻的鋰化 / 脫硅，體積變化嚴(yán)重，導(dǎo)致電極開裂和粉化；圖 b 為銅–錫 @錫，金屬銅在鋰化 / 脫硅循環(huán)過程中，逐漸均勻地析出并分布在銅–錫 - ICL 中，進(jìn)一步促進(jìn)了錫的均勻化。

圖 | 顯微鏡下的銅–錫 @錫陽極的表面形貌、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能示意圖（來源：受訪者）

因為銅錫是一種金屬材料，銅錫在形成合金時，它有各種不同組分的銅錫形成，所以楊陽調(diào)控了不同組分的銅錫合金，系統(tǒng)地研究了銅錫的具體比例對保護(hù)層的影響，得出了效果最好的銅錫合金。

圖 | 銅–錫 @錫陽極的電化學(xué)運(yùn)動分析示意圖（來源：受訪者）

由于每種不金屬材料的技術(shù)性能不一樣，以合金為例，多加一點銅，多加一點錫，都會給材料本身的性能帶來影響。因此，調(diào)整電池的容量和穩(wěn)定性以及如何平衡這種關(guān)系，他也用了較長的時間去攻克，使鋰電池更安全，并能承受極端溫度。

朝著一條路一直走下去

本碩博讀的都是材料學(xué)專業(yè)的楊陽，本身就對各種材料的組分和應(yīng)用很感興趣，樂此不疲。尤其是在清華讀博期間，他養(yǎng)成了獨立科研的興趣和能力，對自己未來的職業(yè)規(guī)劃也有了更清晰的認(rèn)識。

畢業(yè)之后，楊陽在德國埃爾朗根 - 紐倫堡大學(xué)從事洪堡學(xué)者研究，兩年時間內(nèi)，他得到了更系統(tǒng)的培訓(xùn)與認(rèn)知，研究課題主要圍繞電化學(xué)制備、電池方面拓展薄膜材料應(yīng)用。

考慮到德國是非英語國家，交流相對閉塞，為了更深入的研究，楊陽打定主意，選擇了萊斯大學(xué)，做另外一站的博后。

在此期間，楊陽師從 James M. Tour，Tour 是美籍猶太裔合成有機(jī)化學(xué)家，迄今發(fā)表了 700 多篇研究論文，擁有 140 多個專利系列，主要研究方向是石墨烯儲能及新能源材料開發(fā)。

他加入之后，開始著手石墨烯、薄膜材料以及電化學(xué)應(yīng)用進(jìn)行高度融合創(chuàng)新。

可以說，從 2015 年起，楊陽一直在特色薄膜材料領(lǐng)域深耕。而銅錫薄膜的成果起源就是他在薄膜材料的獨有見解，以及薄膜材料在不同方向的拓展，包括能源、催化、環(huán)境和電子材料等領(lǐng)域，現(xiàn)在的精力依然集中于開發(fā)新型功能材料以及應(yīng)用。

“關(guān)于薄膜制備工藝和技術(shù)，我們組的特色鮮明，成果斐然。本次的研究成果也是相關(guān)材料的拓展，將薄膜材料的特性體現(xiàn)在了儲能方面。” 楊陽坦言。

新材料有望解決成本瓶頸

如今，輕巧、可充電且能量強(qiáng)大的鋰離子電池，已在全球范圍內(nèi)被應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、電動汽車等各種移動設(shè)備，以快充為主。

楊陽所在實驗室的材料制備，絕大部分采用電化學(xué)方法，其最大優(yōu)勢是一旦產(chǎn)業(yè)化，會比較容易實現(xiàn)。從小規(guī)模實驗室制備到大規(guī)模生產(chǎn)時，除了安全性，還存在壽命問題。

而實驗室的存在，就是要解決科學(xué)的問題。

楊陽告訴 DeepTech，本次研究中，基礎(chǔ)研究占 40%，應(yīng)用研究占 60%。不管是儲能，還是催化劑、燃料電池等能源轉(zhuǎn)化工作，除了解決基礎(chǔ)的技術(shù)性問題之外，怎么實現(xiàn)批量可重復(fù)生產(chǎn)，也是他的研重點。

常規(guī)的鋰電制備過程，大多以粉體材料為主，生產(chǎn)線已經(jīng)非常成熟。讓企業(yè)換一套新體系，因投入大，以及對風(fēng)險心存恐懼，廠商要下很大決心。這種薄膜材料制備方法簡單易行，重復(fù)性高，質(zhì)量監(jiān)控容易，成本會更低，具有極高商業(yè)價值。

據(jù)悉，這種電池設(shè)計除適合于智能手機(jī)之外，在電動汽車或電動卡車的應(yīng)用上，更能體現(xiàn)本身優(yōu)勢。

“由于開發(fā)的這種薄膜材料，非常薄，在單位體積內(nèi)，它能提供的電量會更大。舉個例子，維持一輛電動汽車，每1000公里耗電是恒定的情況下，可以放更少的電池進(jìn)去。”楊陽表示。

未來，它有希望提高手機(jī)續(xù)航能力，或讓電動汽車在不充電的情況開得更遠(yuǎn)，這可能就是科學(xué)研究所帶來的實用價值的最好體現(xiàn)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：銅錫薄膜問世！華人科學(xué)家突破鋰電池核心痛點，可顯著減緩電池退化

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