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“因為在充放電過程中體積變化巨大，錫電極很難保持機械完整性。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計鋰電池的表面保護層。”美國中佛羅裏達大學教授、亞歷山大•馮•洪堡學者、華人科學家楊陽談及該團隊的最新研究時，向 DeepTech 說道。

楊陽（2006-2010年在意昂体育平台材料科學與工程系就讀，獲博士學位）

近日，該團隊的論文《通過銅—錫金屬間化合物塗層結構重建錫陽極的穩定性》（Stabilization of Sn Anodethrough Structural Reconstruction of a Cu–SnIntermetallic Coating Layer）發表在 Advanced Materials 上。

本次的項目突破，主要在於為電池的一個電極塗上了一層新的保護塗層——銅錫薄膜，應用在錫陽極上，這將在整個充電過程中，可以保持電極的穩定。同時，能顯著減緩電池的退化，抑製電極粉末化的問題，並能使電池在更長的時間內保持更大的電量。

“我們的研究工作已經表明，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。

據了解，楊陽目前在UCF 納米科學技術中心，所帶領的團隊的研究興趣包括先進材料以及可再生能源設備、環境科學和智能電子領域的應用，專註於設計和合成具有精確控製的化學成分和形態的高度有序的多孔膜、新的電化學、電子和光學，並探索這些先進材料中產生的最新尖端技術。

以解決錫材料體積變化為突破點

人類從事鋰電池的研發已經有很長時間，尤其在去年，2019 年諾貝爾化學獎分別授予約翰•B•古迪納夫（JohnB. Goodenough）、斯坦利•威廷漢（M.Stanley Whittingham） 和吉野彰（Akira Yoshino），鋰電池的發展再次強勢引起科技產業的重點關註。

追本溯源，上世紀 70 年代，惠廷厄姆發現由二硫化鈦製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製造陰極，經過系統研究，在 1980 年證明了嵌入鋰離子的氧化鈷可以產生 4 伏的電壓。在此基礎上，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動可以產生電流。

由此，一個輕巧耐用、在性能下降前可充放電數百次的電池正式產生。鋰離子電池於 1991 年首次進入市場，也奠定了無線、無化石燃料社會的基礎。

對此，楊陽稱：“所有的創新在剛開始出現時，科學上的東西多一點，技術略微成熟後，工程上的東西更多。但是科學和工程上的痛點和挑戰一直都存在，鋰電池也是如此。”

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

“現在大家研究矽比較多，錫和矽都是合金化儲能的機理。鋰離子反復嵌入脫出的過程中，它會有非常巨大的體積變化，不能再保持機械完整性，循環時可能有些材料會脫離電解材料主體，造成破損或者出現缺陷，從而導電池壽命降低。”楊陽表示。

而本次研究的工作原理是，在金屬錫陽極表面塗覆了一層銅錫合金。由於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，由於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的過程，會限製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 / 脫矽，體積變化嚴重，導致電極開裂和粉化；圖 b 為銅–錫 @錫，金屬銅在鋰化 / 脫矽循環過程中，逐漸均勻地析出並分布在銅–錫 - ICL 中，進一步促進了錫的均勻化。

圖 | 顯微鏡下的銅–錫 @錫陽極的表面形貌、結構和力學性能示意圖（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，所以楊陽調控了不同組分的銅錫合金，系統地研究了銅錫的具體比例對保護層的影響，得出了效果最好的銅錫合金。

圖 | 銅–錫 @錫陽極的電化學運動分析示意圖（來源：受訪者）

由於每種不金屬材料的技術性能不一樣，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，調整電池的容量和穩定性以及如何平衡這種關系，他也用了較長的時間去攻克，使鋰電池更安全，並能承受極端溫度。

朝著一條路一直走下去

本碩博讀的都是材料學專業的楊陽，本身就對各種材料的組分和應用很感興趣，樂此不疲。尤其是在清華讀博期間，他養成了獨立科研的興趣和能力，對自己未來的職業規劃也有了更清晰的認識。

畢業之後，楊陽在德國埃爾朗根-紐倫堡大學從事洪堡學者研究，兩年時間內，他得到了更系統的培訓與認知，研究課題主要圍繞電化學製備、電池方面拓展薄膜材料應用。

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，做另外一站的博後。

在此期間，楊陽師從James M. Tour，Tour 是美籍猶太裔合成有機化學家，迄今發表了 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。

他加入之後，開始著手石墨烯、薄膜材料以及電化學應用進行高度融合創新。

圖 | 在實驗室裏的楊陽

可以說，從 2015 年起，楊陽一直在特色薄膜材料領域深耕。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、環境和電子材料等領域，現在的精力依然集中於開發新型功能材料以及應用。

“關於薄膜製備工藝和技術，我們組的特色鮮明，成果斐然。本次的研究成果也是相關材料的拓展，將薄膜材料的特性體現在了儲能方面。”楊陽坦言。

新材料有望解決成本瓶頸

如今，輕巧、可充電且能量強大的鋰離子電池，已在全球範圍內被應用於手機、筆記本電腦、電動汽車等各種移動設備，以快充為主。

楊陽所在實驗室的材料製備，絕大部分采用電化學方法，其最大優勢是一旦產業化，會比較容易實現。從小規模實驗室製備到大規模生產時，除了安全性，還存在壽命問題。

而實驗室的存在，就是要解決科學的問題。

楊陽告訴DeepTech，本次研究中，基礎研究占 40%，應用研究占60%。不管是儲能，還是催化劑、燃料電池等能源轉化工作，除了解決基礎的技術性問題之外，怎麽實現批量可重復生產，也是他的研重點。

常規的鋰電製備過程，大多以粉體材料為主，生產線已經非常成熟。讓企業換一套新體系，因投入大，以及對風險心存恐懼，廠商要下很大決心。這種薄膜材料製備方法簡單易行，重復性高，質量監控容易，成本會更低，具有極高商業價值。

據悉，這種電池設計除適合於智能手機之外，在電動汽車或電動卡車的應用上，更能體現本身優勢。

“由於開發的這種薄膜材料，非常薄，在單位體積內，它能提供的電量會更大。舉個例子，維持一輛電動汽車，每1000公裏耗電是恒定的情況下，可以放更少的電池進去。”楊陽表示。

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