加州大学圣地亚哥分校的莎拉·诺依曼 新的研究描述了电池充电过程中纳米结构锂原子(蓝色)沉积在电极(黄色)上的演变过程
学分:加州大学圣地亚哥分校 研究充电基础的材料科学家做出了一个惊人的发现，这可能为更好的电池、更快的催化剂和其他材料科学的飞跃打开大门
加州大学圣地亚哥分校和爱达荷国家实验室的科学家仔细研究了锂充电的早期阶段，发现缓慢、低能量的充电会导致电极以无序的方式收集原子，从而改善充电行为
这种非晶态的“玻璃状”锂从未被观察到，而制造这种非晶态金属在传统上是极其困难的
研究结果提出了微调充电方法以延长电池寿命的策略，更有趣的是，还提出了为其他应用制造玻璃状金属的策略
这项研究发表在7月27日的《自然材料》杂志上
充电已知，未知 锂金属是高能可充电电池的优选阳极
然而，再充电过程(将锂原子沉积到阳极表面)在原子水平上并不为人所知
锂原子沉积在阳极上的方式会因充电周期的不同而不同，导致充电不稳定和电池寿命缩短
INL大学/加州大学圣地亚哥分校的团队想知道充电模式是否受到最初几个原子的最早聚集的影响，这一过程被称为成核
“这种初始成核可能会影响你的电池性能、安全性和可靠性，”戈拉赫·帕瓦尔说，他是INL的一名工作人员科学家，也是该论文的两位主要作者之一
观察锂胚胎的形成 研究人员将强大的电子显微镜的图像和分析与液氮冷却和计算机建模相结合
低温电子显微镜让他们能够看到锂金属“胚胎”的形成，计算机模拟有助于解释他们所看到的
特别是，他们发现特定的条件产生了一种非晶态(如玻璃)而非晶态(如钻石)的结构较弱的锂
“低温成像在材料科学中发现新现象的能力在这项工作中得到了展示，”雪莉·孟说，她是加州大学圣地亚哥分校开创性低温显微镜工作的相应作者和研究员
孟，纳米工程教授，加州大学圣地亚哥分校可持续能源与能源中心主任，材料发现与设计研究所所长
她说，成像和光谱数据通常很复杂
“真正的团队合作使我们能够自信地解释实验数据，因为计算建模有助于破解复杂性
" 玻璃般的惊喜 以前从未观察到纯的无定形元素金属
它们极难生产，因此通常需要金属混合物(合金)来获得“玻璃状”结构，从而赋予材料强大的性能
在充电过程中，玻璃状锂胚胎更有可能在整个生长过程中保持无定形状态
在研究什么条件有利于玻璃成核时，研究小组再次感到惊讶
“我们可以在非常温和的条件下，以非常慢的充电速度制造非晶态金属，”INL董事研究员、该项工作的负责人INL·博扬·里尤说
“这很令人惊讶
" 这个结果是违反直觉的，因为专家们认为缓慢的沉积速率会让原子找到进入有序的结晶锂的途径
然而建模工作解释了反应动力学如何驱动玻璃态的形成
该团队通过创造四种更具活性的金属的玻璃形态来证实这些发现，这四种金属对电池应用很有吸引力
这项研究成果可能有助于实现资助这项研究的能源部倡议“电池500”联盟的目标
该联盟旨在开发电池水平比能为500瓦时/千克的商业上可行的电动汽车电池
此外，这一新的认识可能会导致更有效的金属催化剂，更强的金属涂层和其他应用，可以受益于玻璃金属
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