铜锡薄膜问世åQåŽäººç§‘学家½Hç ´é”‚电(sh¨´)æ± æ ¸å¿?j¨©)痛点，可显著减¾~“电(sh¨´)池退åŒ?/h2>

2020-11-16 | òqŒ™¶Š | 来源 公号“DeepTechæ·Þq§‘技â€?020-11-13 |

“因为在充放ç”?sh¨´)过½E‹ä¸­ä½“积变化巨大åQŒé”¡ç”‰|žå¾ˆéš¾ä¿æŒæœºæ¢°å®Œæ•´æ€§ã€‚假如这个问题可以通过我们提出的方案解冻I¼Œå…¶ä»–面äÍ(f¨´)同样问题的材料，也能用类似方法去设计锂电(sh¨´)池的表面保护层。”美国中ä½?j¨©ng)罗里达大学教授、亚历山å¤?/span>â€?/span>å†?/span>â€?/span>‹zªå ¡å­¦è€…、华人科学家杨阳谈及(qi¨¢ng)该团队的最新研½I¶æ—¶åQŒå‘ DeepTech 说道ã€?/span>

杨阳åQ?006-2010òq´åœ¨æ¸…华大学材料¿U‘学与工½E‹ç³»ž®Þp¯»åQŒèŽ·åšå£«å­¦ä½åQ?/span>

˜q‘æ—¥åQŒè¯¥å›¢é˜Ÿçš„论文《通过铜—锡金属间化合物涂层¾l“构重徏锡阳极的½E›_®šæ€§ã€‹ï¼ˆStabilization of Sn Anodethrough Structural Reconstruction of a Cu–SnIntermetallic Coating LayeråQ‰å‘表在 Advanced Materials 上ã€?/span>

本次的项目突ç ß_(d¨¢)¼Œä¸»è¦åœ¨äºŽä¸ºç”µ(sh¨´)池的一个电(sh¨´)极涂上了(ji¨£n)一层新的保护涂层——铜锡薄膜，应用在锡é˜Ïxžä¸Šï¼Œ˜q™å°†åœ¨æ•´ä¸ªå……ç”?sh¨´)过½E‹ä¸­åQŒå¯ä»¥ä¿æŒç”µ(sh¨´)极的½E›_®šã€‚同æ—Óž¼Œèƒ½æ˜¾è‘—减¾~“电(sh¨´)池的退化，抑制甉|ž¾_‰æœ«åŒ–的问题åQŒåƈ能ä‹É甉|± åœ¨æ›´é•¿çš„æ—‰™—´å†…保持更大的ç”?sh¨´)量ã€?/span>

“我们的研究工作已经表明åQŒè¿™¿Uè–„膜的é˜Ïxžé™è§£çŽ‡æ¯”通常使用的锡薄膜的减ž®‘é€?000%。”杨阌™¡¨½Cºã€?/span>

据了(ji¨£n)解，杨阳目前在UCF ¾U³ç±³¿U‘学技术中å¿?j¨©)，所带领的团队的研究兴趣包括先进材料以及(qi¨¢ng)可再生能源设备、环境科学和æ™ø™ƒ½ç”?sh¨´)子领域的应用，专注于设计和合成å…ähœ‰¾_„¡¡®æŽ§åˆ¶çš„化学成分和形态的高度有序的多孔膜、新的电(sh¨´)化学、电(sh¨´)子和光学åQŒåƈ探烦(ch¨³)˜q™äº›å…ˆè¿›ææ–™ä¸­äñ”生的最新尖端技术ã€?/span>

以解决锡材料体积变化为突破点

人类从事锂电(sh¨´)池的研发已经有很长时é—ß_(d¨¢)¼Œž®¤å…¶åœ¨åŽ»òqß_(d¨¢)¼Œ2019 òq´è¯ºè´å°”化学奖分别授予约¾˜?/span>â€?/span>Bâ€?/span>古èé_¾U›_¤«åQ?/span>JohnB. GoodenoughåQ‰ã€æ–¯å¦åˆ©â€?/span>威å­h(hu¨¢n)汉（M.Stanley WhittinghamåQ?和吉野嘪åQˆAkira YoshinoåQ‰ï¼Œé”‚电(sh¨´)池的发展再次强势引è“v¿U‘技产业的重点关注ã€?/span>

˜q½æœ¬æº¯æºåQŒä¸Šä¸–纪 70 òq´ä»£åQŒæƒ å»·åŽ„姆发现由二硫化钛制成的材料可以嵌入锂¼›Õd­åQŒè¢«ç”¨ä½œé”‚电(sh¨´)池中的阴极。古˜qªçº³å¤«æŽ¨‹¹‹ï¼Œå¯ä»¥ç”¨é‡‘属氧化物来替代金属硫化物刉™€ é˜´æžï¼Œ¾lè¿‡¾pȝ»Ÿç ”究åQŒåœ¨ 1980 òq´è¯æ˜Žäº†(ji¨£n)嵌入锂离子的氧化钴可以äñ”ç”?4 伏的ç”?sh¨´)压。在此基¼‹€ä¸Šï¼Œå‰é‡Žå½îC‹É用了(ji¨£n)焦炭åQŒè¿™¿Uç¢³ææ–™å¯ä»¥åƒæ°§åŒ–钴一æ ähä¾›å®¹¾U³é”‚¼›Õd­çš„空é—ß_(d¨¢)¼Œé”‚离子在阴阳极之间运动可以äñ”生电(sh¨´)‹¹ã€?/span>

由此åQŒä¸€ä¸ªè½»å·§è€ç”¨ã€åœ¨æ€§èƒ½ä¸‹é™å‰å¯å……放甉|•°ç™¾æ¬¡çš„电(sh¨´)池正式äñ”生。锂¼›Õd­ç”‰|± äº?1991 òq´é¦–‹Æ¡è¿›å…¥å¸‚(j¨¬ng)场，也奠定了(ji¨£n)无线、无化石燃料½C¾ä¼š(x¨¬)的基¼‹€ã€?/span>

å¯ÒŽ(gu¨©)­¤åQŒæ¨é˜³ç§°åQšâ€œæ‰€æœ‰çš„创新在刚开始出现时åQŒç§‘学上的东西多一点，技术略微成熟后åQŒå·¥½E‹ä¸Šçš„东西更多。但是科学和工程上的痛点和挑战一直都存在åQŒé”‚甉|± ä¹Ÿæ˜¯å¦‚此。â€?/span>

锂电(sh¨´)的能量密度有一定的限制。材料越斎ͼŒèƒ½é‡å¯†åº¦­‘Šå¤§åQŒç­‰å¾…科学解决的东西也越多ã€?/span>

“现在大家研½I¶ç¡…比较多，锡和¼‹…都是合金化储能的机理。锂¼›Õd­åå¤åµŒå…¥è„±å‡ºçš„过½E‹ä¸­åQŒå®ƒä¼?x¨¬)有非常巨大的体¿U¯å˜åŒ–，不能再保持机械完整性，循环时可能有些材料会(x¨¬)è„Þq¦»ç”?sh¨´)解材料ä¸ÖM½“åQŒé€ æˆç ´æŸæˆ–者出现缺é™øP¼Œä»Žè€Œå¯¼ç”‰|± å¯¿å‘½é™ä½Žã€‚”杨阌™¡¨½Cºã€?/span>

而本‹Æ¡ç ”½I¶çš„工作原理是，在金属锡é˜Ïxžè¡¨é¢æ¶‚覆äº?ji¨£n)一层铜锡合金。由于铜锡合金充攄¡”µ(sh¨´)˜q‡ç¨‹ä¸­ä¼š(x¨¬)重新分相åQŒé”¡å¯ä»¥æ›´å®¹æ˜“地和锂形成合金åQŒåœ¨å’Œé”‚形成合金的过½E‹ä¸­åQŒè¿™ä¸¤ç§é‡‘属元素合金内部都有可能分离出来。这个过½E‹æ¯”较缓慢，一旦åŞ成这¿Uåˆ†ç›¸ï¼Œç”׃ºŽé“œå¯ä»¥ä¸€ç›´åŒ…覆在锡周å›ß_(d¨¢)¼Œå®ƒèƒ½è‡ªç„¶åœ°åŞ成一¿Uç¼“冲层¾~“解甉|žä½“积变化ã€?/span>

通过铜锡合金表面重构的过½E‹ï¼Œä¼?x¨¬)限刉™”¡æœ¬èín¿U¯è“„的体¿U¯å˜åŒ–的问题åQŒä»Žè€Œè§£å†Ïx½œåœ¨çš„甉|± å¯¿å‘½é—®é¢˜ã€?/span>

å›?| 合金åŒ?脱合金行为示意图åQˆæ¥æºï¼š(x¨¬)受访者）(j¨ª)

其中åQŒå›¾ a 为纯锡膜é˜ÏxžåQŒä¸å‡åŒ€çš„锂åŒ?/ è„Þq¡…åQŒä½“¿U¯å˜åŒ–严重，å¯ÆD‡´ç”‰|žå¼€è£‚å’Œ¾_‰åŒ–åQ›å›¾ b 为铜–锡 @锡，金属铜在锂化 / è„Þq¡…循环˜q‡ç¨‹ä¸­ï¼Œé€æ¸å‡åŒ€åœ°æžå‡ºåƈ分布在铜–锡 - ICL 中，˜q›ä¸€æ­¥ä¿ƒ(j¨©)˜q›äº†(ji¨£n)锡的均匀化ã€?/span>

å›?| 昑־®é•œä¸‹çš„铜–锡 @锡阳极的表面形貌、结构和力学性能½Cºæ„å›¾ï¼ˆæ¥æºåQšå—访者）(j¨ª)

å› äØ“(f¨´)铜锡是一¿Ué‡‘属材料，铜锡在åŞ成合金时åQŒå®ƒæœ‰å„¿Uä¸åŒç»„分的铜锡形成åQŒæ‰€ä»¥æ¨é˜Œ™°ƒæŽ§äº†(ji¨£n)不同¾l„分的铜锡合金，¾pȝ»Ÿåœ°ç ”½I¶äº†(ji¨£n)铜锡的具体比例对保护层的影响åQŒå¾—å‡ÞZº†(ji¨£n)效果最好的铜锡合金ã€?/span>

å›?| 铜–锡 @锡阳极的ç”?sh¨´)化学运动分析示意图åQˆæ¥æºï¼š(x¨¬)受访者）(j¨ª)

ç”׃ºŽæ¯ç§ä¸é‡‘属材料的技术性能不一æ øP¼Œä»¥åˆé‡‘äØ“(f¨´)例，多加一炚w“œåQŒå¤šåŠ ä¸€ç‚šw”¡åQŒéƒ½ä¼?x¨¬)给材料本èín的性能带来影响。因此，调整甉|± çš„容量和½E›_®šæ€§ä»¥å?qi¨¢ng)如何åã^è¡¡è¿™¿Uå…³¾p»ï¼Œä»–也用了(ji¨£n)较长的时间去æ”Õd…‹åQŒä‹É锂电(sh¨´)池更安全åQŒåƈ能承受极端温度ã€?/span>

朝着一条èµ\一直走下去

本硕博读的都是材料学专业的杨阻I¼Œæœ¬èínž®±å¯¹å„种材料的组分和应用很感兴趣åQŒä¹æ­¤ä¸ç–ŒÓ€‚尤其是在清华读博期é—ß_(d¨¢)¼Œä»–养成了(ji¨£n)独立¿U‘研的兴­‘£å’Œèƒ½åŠ›åQŒå¯¹è‡ªå·±æœªæ¥çš„职业规划也有了(ji¨£n)更清晰的认识ã€?/span>

毕业之后åQŒæ¨é˜›_œ¨å¾·å›½åŸƒå°”朗根-¾U½äëu堡大学从事洪堡学者研½IÓž¼Œä¸¤å¹´æ—‰™—´å†…，他得åˆîCº†(ji¨£n)æ›´ç³»¾lŸçš„培训与认知，研究è¯ùN¢˜ä¸»è¦å›´ç»•ç”?sh¨´)化学制备、电(sh¨´)池方面拓展薄膜材料应用ã€?/span>

考虑到å¯d国是非英语国å®Óž¼Œäº¤æµç›¸å¯¹é—­å¡žåQŒäØ“(f¨´)äº?ji¨£n)更深入的研½IÓž¼Œæ¨é˜³æ‰“定ä¸ÀL„åQŒé€‰æ‹©äº?ji¨£n)莱斯大学，做另外一站的博后ã€?/span>

在此期间åQŒæ¨é˜›_¸ˆä»ŽJames M. TouråQŒTour 是美¾cçŠ¹å¤ªè£”合成有机化学å®Óž¼Œ˜q„今发表äº?700 多篇研究论文åQŒæ‹¥æœ?140 多个专利¾pÕdˆ—åQŒä¸»è¦ç ”½I¶æ–¹å‘是矛_¢¨çƒ¯å‚¨èƒ½åŠ(qi¨¢ng)新能源材料开发ã€?/span>

他加入之后，开始着手石墨烯、薄膜材料以å?qi¨¢ng)ç”?sh¨´)化学应用˜q›è¡Œé«˜åº¦èžåˆåˆ›æ–°ã€?/span>

�| 在实验室里的杨阳

可以è¯ß_(d¨¢)¼Œä»?2015 òq´è“våQŒæ¨é˜³ä¸€ç›´åœ¨ç‰¹è‰²è–„膜材料领域æ·Þp€•ã€‚而铜锡薄膜的成果èµähºž®±æ˜¯ä»–在薄膜材料的独有见解，以及(qi¨¢ng)薄膜材料在不同方向的拓展åQŒåŒ…括能源、催化、环境和ç”?sh¨´)子材料½{‰é¢†åŸŸï¼ŒçŽ°åœ¨çš„精力依焉™›†ä¸­äºŽå¼€å‘新型功能材料以å?qi¨¢ng)应用ã€?/span>

“关于薄膜制备工艺和技术，我们¾l„的特色鲜明åQŒæˆæžœæ–ç„¶ã€‚本‹Æ¡çš„研究成果也是相关材料的拓展，ž®†è–„膜材料的ç‰ÒŽ(gu¨©)€§ä½“现在äº?ji¨£n)储能方面。”杨阛_¦­a€ã€?/span>

新材料有望解å†Ïxˆæœ¬ç“¶é¢?/span>

如今åQŒè½»å·§ã€å¯å……电(sh¨´)且能量强大的锂离子电(sh¨´)池，已在全球范围内被应用于手机、笔记本ç”?sh¨´)脑、电(sh¨´)动汽车等各种¿UÕdŠ¨è®‘Ö¤‡åQŒä»¥å¿«å……ä¸ÞZ¸»ã€?/span>

杨阳所在实验室的材料制备，¾lå¤§éƒ¨åˆ†é‡‡ç”¨ç”?sh¨´)化学方法，其最大优势是一旦äñ”业化åQŒä¼š(x¨¬)比较å®ÒŽ(gu¨©)˜“实现。从ž®è§„模实验室制备到大规模生äñ”æ—Óž¼Œé™¤äº†(ji¨£n)安全性，˜q˜å­˜åœ¨å¯¿å‘½é—®é¢˜ã€?/span>

而实验室的存在，ž®±æ˜¯è¦è§£å†³ç§‘学的问题ã€?/span>

杨阳告诉DeepTechåQŒæœ¬‹Æ¡ç ”½I¶ä¸­åQŒåŸº¼‹€ç ”究å?40%åQŒåº”用研½I¶å 60%。不½Ž¡æ˜¯å‚¨èƒ½åQŒè¿˜æ˜¯å‚¬åŒ–剂、燃料电(sh¨´)池等能源转化工作åQŒé™¤äº?ji¨£n)解军_Ÿº¼‹€çš„技术性问题之外，怎么实现扚w‡å¯é‡å¤ç”Ÿäº§ï¼Œä¹Ÿæ˜¯ä»–的研重炏V€?/span>

常规的锂ç”?sh¨´)制备过½E‹ï¼Œå¤§å¤šä»¥ç²‰ä½“材料äØ“(f¨´)主，生äñ”¾U¿å·²¾léžå¸¸æˆç†Ÿã€‚让企业换一套新体系åQŒå› æŠ•å…¥å¤§ï¼Œä»¥åŠ(qi¨¢ng)寚w£Žé™©å¿ƒ(j¨©)存恐惧，厂商要下很大军_¿ƒ(j¨©)。这¿Uè–„膜材料制备方法简单易行，重复性高åQŒè´¨é‡ç›‘控容易，成本ä¼?x¨¬)更低，å…ähœ‰æžé«˜å•†ä¸šä»·å€¹{€?/span>

据æ?zh¨¨n)‰åQŒè¿™¿Uç”µ(sh¨´)池设计除适合于智能手æœÞZ¹‹å¤–，在电(sh¨´)动汽车或ç”?sh¨´)动卡èžR的应用上åQŒæ›´èƒ½ä½“现本íw«ä¼˜åŠÑ€?/span>

“由于开发的˜q™ç§è–„膜材料åQŒéžå¸¸è–„åQŒåœ¨å•ä½ä½“积内，它能提供的电(sh¨´)量会(x¨¬)更大。ä‹D个例子，¾l´æŒä¸€è¾†ç”µ(sh¨´)动汽车，æ¯?000公里耗电(sh¨´)是恒定的情况下，可以放更ž®‘的甉|± ˜q›åŽ»ã€‚”杨阌™¡¨½Cºã€?/span>

未来åQŒå®ƒæœ‰å¸Œæœ›æé«˜æ‰‹æœºç®‹èˆªèƒ½åŠ›ï¼Œæˆ–让ç”?sh¨´)动汽èžR在不充电(sh¨´)的情况开得更˜qœï¼Œ˜q™å¯èƒ½å°±æ˜¯ç§‘学研½I¶æ‰€å¸¦æ¥çš„实用ä­h(hu¨¢n)值的最好体现ã€?/span>