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伦敦大学学院徐杨: 推动金属电池金属负极的制造过程 精选

已有 2402 次阅读 2024-2-26 09:56 |个人分类:AMR Account|系统分类:论文交流

伦敦大学学院徐杨: 推动金属电池金属负极的制造过程

近日, 伦敦大学学院化学系徐杨教授课题组的AMR Viewpoint 文章“Advancing the Manufacture of Metal Anodes for Metal Batteries”在线发表。该文章中将金属负极的制造过程分为预处理、加工和后处理三个步骤,强调了对金属负极预处理步骤的重视,讨论了多种加工可能产生的缺陷及其对金属负极电化学性能的影响,最后提出了利用后处理步骤来降低加工过程产生的缺陷,进而改善金属负极的电化学性能,并展望了金属负极自动化、规模化制造的解决方案。

关键词:金属电池,电沉积,制造加工,缺陷

1 文章内容简介

直接使用金属作为负极是所有负极材料中能量密度最高的形式,因此金属负极成为重点的研究方向且极大地促进金属电池的迅速发展。金属负极主要包括碱金属(Li、Na和K)和多价金属(Mg、Ca、Zn和Al),通常以金属箔的形式应用。然而,在实际应用中,金属负极面临一系列挑战,例如由金属枝晶生长引起的安全风险、副反应和“死金属”导致的低库仑效率(CE)、不稳定的固体电解质界面层(SEI)以及过厚的金属负极导致的低利用率等。金属负极的固有特性,包括几何结构、表面粗糙度、晶体取向、晶粒大小、缺陷等,与制造工艺密切相关,对金属负极的电化学性能具有重要影响。此外,储存和加工坏境(例如手套箱中挥发性溶剂、氧气/水分含量)也会影响金属负极的表面特性。因此,明确金属负极制造过程中的主导因素并优化制造工艺,确保其重复性、通用性和可扩展性显得至关重要。

金属负极的制造涉及一系列步骤,需要考虑金属本身的性质以及各个步骤之间的兼容性。在本观点文章中,我们将金属负极的制造分为三个步骤:预处理、加工和后处理。我们首先对最基础但经常被忽视的预处理步骤进行讨论,指出对金属进行合适的预处理有利于实现后续的高效加工。在金属加工方面,辊压是最常见的自上而下的方法,其中适当的润滑剂是抑制副反应(氧化、加工硬化)和实现所需厚度的关键。自下而上的电沉积和浆涂覆工艺有利于制备复杂几何形状的电极,但加工参数(如温度、沉积速率等)需要优化以实现理想的几何形貌和均匀性。正确应用后处理策略可以纠正加工步骤中形成的各种缺陷,并提高金属负极的电化学性能。需要注意的是,不当的操作或缺少某一步骤可能导致随后制造步骤出现问题。最后,我们提出了一个有顺的、可扩展且实时检测的金属负极制造解决方案,希望在金属电池领域引起深入的研究创新。

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金属负极的可扩展和连续制造工艺示意图

2 AMR:请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会!

徐杨教授:

金属电池的研究不仅属于材料和电化学领域范畴,而且还是属于工程问题,需要统筹考虑材料的性质与制造加工的匹配。设计适用于不同金属的特定制造工艺是一个需要解决的关键问题,这个问题还没有得到研究人员的足够重视,它为改善金属负极的电化学性能提供了广阔的研究空间,尤其是建立各种加工缺陷与金属电化学性能之间的关系。此外,对于金属负极的后处理策略,需要考虑从实验室小规模的方案向规模化生产所面临的挑战,以提升金属电池的规模化应用前景。

3 AMR:您认为该领域当前最值得关注/最有争议的研究热点是什么?

徐杨教授:

我们认为不同金属之间的物理性质和化学(电化学)行为存在很大的差异,这一点对区别应用不同金属负极有重要作用。然后,这一点目前还没有得到足够的重视。金属负极的制造过程从一种金属负极直接应用到另一种金属负极,这一方法经常达不到预期效果。比如如何处理钠金属负极和钾金属负极就有很大区别,这取决于金属本身的特性。我们课题组最近几年正在探索这方面的工作。同时,我们也希望更多课题组可以加入这个研究领域,共享研究成果和共同进步。

作者团队简介

徐杨,英国伦敦大学学院化学系Associate Professor,博士生导师。本科和博士毕业于中国科学技术大学,先后在美国Boston College和加拿大University of Alberta从事博士后研究工作,并在德国Technische Universität Ilmenau担任研究员。长期从事新型离子电池电极材料设计、金属负极电池电化学沉积机理、以及正极材料阴离子电化学活性储能机制的研究工作。课题组致力于推动发展不同尺度下原子排列无序度优化策略,解析电化学离子存储过程中的物理过程和化学反应,理解电极材料的构效关系, 在钾离子电池领域做出了特别积极的贡献。曾获MINE青年科学家奖(2019),英国工程和物理科学研究委员会New Investigator Award (2020),英国科学技术设施委员会Early Career Award (2023)。现为IOP旗下期刊JPhys Mater. 编委会成员,RSC旗下期刊J. Mater. Chem. AMater. Adv.顾问委员会成员,以及Sci. China Mater.eScience期刊青年编委。近期加入英国法拉第研究所CATMAT项目,致力于推动高性能锂离子电池正极材料的绿色规模化制备。(课题组主页:https://xulab.uk/)

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何攀,伦敦大学学院化学系博士后研究员,于2020年在武汉理工大学获得材料科学与工程博士学位,随后在美国西北大学和西湖大学开展博士后工作,主要研究方向为金属和低维材料的先进制造和加工,以及电化学储能电池与和原位表征方法。

韩玉培,伦敦大学学院化学系博士研究生,分别于2018和2021年在电子科技大学获得学士和硕士学位。主要研究方向为下一代储能材料和储能体系的开发,特别是新型钾金属和钾硫电池体系。

扫码阅读徐杨教授团队的精彩Viewpoint文章:

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Advancing the Manufacture of Metal Anodes for Metal Batteries

Pan He, Yupei Han, and Yang Xu*

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00231

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