“因为在充放?sh)过E中体积变化巨大Q锡甉|很难保持机械完整性。假如这个问题可以通过我们提出的方案解冻I其他面(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?jng)罗里达大学教授、亚历山?/span>?/span>?/span>?/span>z堡学者、华人科学家杨阳谈及(qing)该团队的最新研I时Q向 DeepTech 说道?/span>
杨阳Q?006-2010q在清华大学材料U学与工E系pQ获博士学位Q?/span>
q日Q该团队的论文《通过铜—锡金属间化合物涂层l构重徏锡阳极的E_性》（Stabilization of Sn Anodethrough Structural Reconstruction of a Cu–SnIntermetallic Coating LayerQ发表在 Advanced Materials 上?/span>
本次的项目突_(d)主要在于为电(sh)池的一个电(sh)极涂上了(jin)一层新的保护涂层——铜锡薄膜，应用在锡x上，q将在整个充?sh)过E中Q可以保持电(sh)极的E_。同Ӟ能显著减~电(sh)池的退化，抑制甉|_末化的问题Qƈ能甉|在更长的旉内保持更大的?sh)量?/span>
“我们的研究工作已经表明Q这U薄膜的x降解率比通常使用的锡薄膜的减?000%。”杨阌C?/span>
据了(jin)解，杨阳目前在UCF U米U学技术中?j)，所带领的团队的研究兴趣包括先进材料以及(qing)可再生能源设备、环境科学和?sh)子领域的应用，专注于设计和合成h_控制的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Qƈ探烦(ch)q些先进材料中生的最新尖端技术?/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_(d)其在去q_(d)2019 q诺贝尔化学奖分别授予约?/span>?/span>B?/span>古_U_Q?/span>JohnB. GoodenoughQ、斯坦利?/span>威h(hun)汉（M.Stanley WhittinghamQ?和吉野嘪QAkira YoshinoQ，锂电(sh)池的发展再次强势引vU技产业的重点关注?/span>
q本溯源Q上世纪 70 q代Q惠廷厄姆发现由二硫化钛制成的材料可以嵌入锂dQ被用作锂电(sh)池中的阴极。古q纳夫推，可以用金属氧化物来替代金属硫化物刉阴极，l过pȝ研究Q在 1980 q证明了(jin)嵌入锂离子的氧化钴可以?4 伏的?sh)压。在此基上，吉野C用了(jin)焦炭Q这U碳材料可以像氧化钴一h供容U锂d的空_(d)锂离子在阴阳极之间运动可以生电(sh)?/span>
由此Q一个轻巧耐用、在性能下降前可充放甉|百次的电(sh)池正式生。锂d甉|?1991 q首ơ进入市(jng)场，也奠定了(jin)无线、无化石燃料C会(x)的基?/span>
Ҏ(gu)Q杨阳称Q“所有的创新在刚开始出现时Q科学上的东西多一点，技术略微成熟后Q工E上的东西更多。但是科学和工程上的痛点和挑战一直都存在Q锂甉|也是如此。?/span>
锂电(sh)的能量密度有一定的限制。材料越斎ͼ能量密度大Q等待科学解决的东西也越多?/span>
“现在大家研I硅比较多，锡和都是合金化储能的机理。锂d反复嵌入脱出的过E中Q它?x)有非常巨大的体U变化，不能再保持机械完整性，循环时可能有些材料会(x)q?sh)解材料MQ造成破损或者出现缺P从而导甉|寿命降低。”杨阌C?/span>
而本ơ研I的工作原理是，在金属锡x表面涂覆?jin)一层铜锡合金。由于铜锡合金充攄(sh)q程中会(x)重新分相Q锡可以更容易地和锂形成合金Q在和锂形成合金的过E中Q这两种金属元素合金内部都有可能分离出来。这个过E比较缓慢，一旦Ş成这U分相，׃铜可以一直包覆在锡周_(d)它能自然地Ş成一U缓冲层~解甉|体积变化?/span>
通过铜锡合金表面重构的过E，?x)限刉本nU蓄的体U变化的问题Q从而解x在的甉|寿命问题?/span>
?| 合金?脱合金行为示意图Q来源：(x)受访者）(j)
其中Q图 a 为纯锡膜xQ不均匀的锂?/ qQ体U变化严重，D甉|开裂和_化Q图 b 为铜–锡 @锡，金属铜在锂化 / q循环q程中，逐渐均匀地析出ƈ分布在铜–锡 - ICL 中，q一步促(j)q了(jin)锡的均匀化?/span>
?| 昑־镜下的铜–锡 @锡阳极的表面形貌、结构和力学性能C意图（来源Q受访者）(j)
因ؓ(f)铜锡是一U金属材料，铜锡在Ş成合金时Q它有各U不同组分的铜锡形成Q所以杨阌控了(jin)不同l分的铜锡合金，pȝ地研I了(jin)铜锡的具体比例对保护层的影响Q得Z(jin)效果最好的铜锡合金?/span>
?| 铜–锡 @锡阳极的?sh)化学运动分析示意图Q来源：(x)受访者）(j)
׃每种不金属材料的技术性能不一P以合金ؓ(f)例，多加一炚wQ多加一炚wQ都?x)给材料本n的性能带来影响。因此，调整甉|的容量和E_性以?qing)如何^衡这U关p，他也用了(jin)较长的时间去dQ锂电(sh)池更安全Qƈ能承受极端温度?/span>
朝着一条\一直走下去
本硕博读的都是材料学专业的杨阻I本n对各种材料的组分和应用很感兴趣Q乐此不疌Ӏ尤其是在清华读博期_(d)他养成了(jin)独立U研的兴和能力Q对自己未来的职业规划也有了(jin)更清晰的认识?/span>
毕业之后Q杨阛_德国埃尔朗根-Uu堡大学从事洪堡学者研IӞ两年旉内，他得C(jin)更系l的培训与认知，研究N主要围绕?sh)化学制备、电(sh)池方面拓展薄膜材料应用?/span>
考虑到d国是非英语国Ӟ交流相对闭塞Qؓ(f)?jin)更深入的研IӞ杨阳打定LQ选择?jin)莱斯大学，做另外一站的博后?/span>
在此期间Q杨阛_从James M. TourQTour 是美c犹太裔合成有机化学Ӟq今发表?700 多篇研究论文Q拥?140 多个专利pdQ主要研I方向是矛_烯储能及(qing)新能源材料开发?/span>
他加入之后，开始着手石墨烯、薄膜材料以?qing)?sh)化学应用q行高度融合创新?/span>
?| 在实验室里的杨阳
可以_(d)?2015 qvQ杨阳一直在特色薄膜材料领域p。而铜锡薄膜的成果h是他在薄膜材料的独有见解，以及(qing)薄膜材料在不同方向的拓展Q包括能源、催化、环境和?sh)子材料{领域，现在的精力依焉中于开发新型功能材料以?qing)应用?/span>
“关于薄膜制备工艺和技术，我们l的特色鲜明Q成果斐然。本ơ的研究成果也是相关材料的拓展，薄膜材料的Ҏ(gu)体现在?jin)储能方面。”杨阛_a?/span>
新材料有望解x本瓶?/span>
如今Q轻巧、可充电(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?sh)脑、电(sh)动汽车等各种Ud讑֤Q以快充Z?/span>
杨阳所在实验室的材料制备，l大部分采用?sh)化学方法，其最大优势是一旦业化Q会(x)比较Ҏ(gu)实现。从规模实验室制备到大规模生Ӟ除了(jin)安全性，q存在寿命问题?/span>
而实验室的存在，是要解决科学的问题?/span>
杨阳告诉DeepTechQ本ơ研I中Q基研究?40%Q应用研I占60%。不是储能Q还是催化剂、燃料电(sh)池等能源转化工作Q除?jin)解军_的技术性问题之外，怎么实现扚w可重复生产，也是他的研重炏V?/span>
常规的锂?sh)制备过E，大多以粉体材料ؓ(f)主，生U已l非常成熟。让企业换一套新体系Q因投入大，以及(qing)寚w险心(j)存恐惧，厂商要下很大军_(j)。这U薄膜材料制备方法简单易行，重复性高Q质量监控容易，成本?x)更低，h极高商业价倹{?/span>
据?zhn)Q这U电(sh)池设计除适合于智能手Z外，在电(sh)动汽车或?sh)动卡R的应用上Q更能体现本w优ѝ?/span>
“由于开发的q种薄膜材料Q非常薄Q在单位体积内，它能提供的电(sh)量会(x)更大。D个例子，l持一辆电(sh)动汽车，?000公里耗电(sh)是恒定的情况下，可以放更的甉|q去。”杨阌C?/span>
未来Q它有希望提高手机箋航能力，或让?sh)动汽R在不充电(sh)的情况开得更q，q可能就是科学研I所带来的实用h(hun)值的最好体现?/span>
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