Science:单晶金属箔可实现大面积制备(助力锂电和燃电再发展)

与单晶金属相比,多晶金属因具有非常多的晶界而表现出较差电性能和机械性能。以铜为例,与多晶铜相比,单晶铜具有很多优点:

  • 由于没有晶界,单晶铜的导电性会更好;
  • 由于没有晶界,单晶铜的机械性能也会更好,可以防止实际加工生产中晶界上的断裂;
  • 单晶铜更耐腐蚀,更抗氧化;
  • 单晶铜箔的柔韧性、硬度比多晶铜更高。

通过以上性能的对比,我们会发现如果单晶铜箔如果用于锂电负极集流体,电池各方面性能会进一步得到提升。铜单晶也是非常好的衬底材料,在表面科学、薄膜制备方面起到了越来越重要的作用,特别是近年铜上石墨烯的生长越发成熟,单晶铜箔对于提高石墨烯的质量具有重要作用。但是目前面临的问题是,单晶金属的价格昂贵,尺寸较小且难以获取,越来越难满足人们对大面积单晶金属的需求。

近日,韩国基础科学研究所(IBS)的Hyung-Joon ShinRodney S. Ruoff(石墨烯大牛)等人以商用多晶金属箔为原料,通过无触点退火(Contact-free annealing)的办法获得了廉价易得的单晶金属箔。无触点退火可实现接触应力最小化,从而产生优先的平面内晶体取向和平面外晶体取向。在晶格旋转过程中,伴随着相邻晶粒的消耗,使得表面能最小化,从而驱动着巨大单晶金属晶粒的生长,其面积高达32cm2。以铜为例,如果表面能是多晶金属面心立方结构(FCC)晶粒生长的主要驱动力,则由于表面能最小化,其他晶面则自发地转变为{111}面,形成大面积{111}晶粒。采用无触点退火的办法,作者还获得了大面积Cu(111),Ni(111),Co(0001),Pt(111)和Pd(111)单晶金属箔。其中Pt(111)的大面积制造,对于燃料电池的发展可能也将会起到巨大的推动作用。该成果发表在最新的一期 Science 上(Colossal grain growth yields single-crystal metal foils by contact-free annealing, 10.1126/science.aao3373)。

Science:单晶金属箔可实现大面积制备(助力锂电和燃电再发展) Fig. 1. A single-crystal Cu(111) foil produced by CFA

Science:单晶金属箔可实现大面积制备(助力锂电和燃电再发展)Fig. 2. A single-crystal Pt(111) foil region produced by CFA

Science:单晶金属箔可实现大面积制备(助力锂电和燃电再发展)Fig. 3. Texture evolution and grain growth for the large area single-crystal Cu

Science:单晶金属箔可实现大面积制备(助力锂电和燃电再发展)Fig. 4. Transformation from the {112}<111> to the {111}<112> orientation for the single-crystal FCC foils

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参考文献:Science