研究充電基本原理的材料科學(xué)家做出了驚人的發(fā)現(xiàn)，這可能為更好的電池，更快的催化劑和其他材料科學(xué)的飛躍打開了大門。

加州大學(xué)圣地亞哥分校和愛達荷州國家實驗室的科學(xué)家仔細研究了鋰的最早充電階段，并了解到緩慢的低能充電會導(dǎo)致電極以無序的方式收集原子，從而改善了充電行為。從未觀察到這種非晶態(tài)的“玻璃狀”鋰，傳統(tǒng)上很難形成這種非晶態(tài)金屬。

研究結(jié)果提出了微調(diào)充電方法的策略，以延長電池壽命，并且更有趣的是，為其他應(yīng)用制造玻璃狀金屬。該研究于7月27日發(fā)表在《自然材料》上。

鋰金屬是高能可充電電池的優(yōu)選陽極。然而，在原子水平上還不清楚充電過程（將鋰原子沉積到陽極表面）。鋰原子沉積到陽極上的方式可能在一個充電循環(huán)到另一個充電循環(huán)之間變化，從而導(dǎo)致充電不穩(wěn)定和電池壽命縮短。

INL / UC圣地亞哥小組想知道，充電方式是否受到前幾個原子最早的聚集的影響，這一過程稱為成核。

INL的科學(xué)家，該論文的兩位主要作者之一Gorakh Pawar說：“最初的成核作用可能會影響電池的性能，安全性和可靠性。”

看著鋰胚胎形成

研究人員將強大的電子顯微鏡中的圖像和分析與液氮冷卻和計算機建模相結(jié)合。低溫電子顯微鏡使他們能夠看到鋰金屬“胚胎”的產(chǎn)生，并且計算機模擬有助于解釋他們所看到的。

特別是，他們發(fā)現(xiàn)某些條件會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化程度較低的鋰，該鋰為非晶態(tài)（如玻璃）而不是晶體（如金剛石）。

“這項工作展示了低溫成像發(fā)現(xiàn)材料科學(xué)新現(xiàn)象的能力，”領(lǐng)導(dǎo)加州大學(xué)圣地亞哥分校開創(chuàng)性的低溫顯微鏡研究的通訊作者，研究員謝雪麗·孟說。Meng是NanoEngineering教授，還是圣地亞哥加州大學(xué)圣地亞哥分校的可持續(xù)能源與能源中心以及材料發(fā)現(xiàn)與設(shè)計研究所的所長。她說，成像和光譜數(shù)據(jù)常常令人費解。“真正的團隊合作使我們能夠自信地解釋實驗數(shù)據(jù)，因為計算模型有助于破譯復(fù)雜性。”

驚喜

以前從未觀察到純的非晶態(tài)元素金屬。它們極難生產(chǎn)，因此通常需要金屬混合物（合金）以實現(xiàn)“玻璃狀”結(jié)構(gòu)，從而賦予材料強大的性能。

在充電過程中，玻璃狀鋰胚在整個生長過程中更有可能保持非晶態(tài)。在研究哪種條件有利于玻璃狀成核時，研究團隊再次感到驚訝。

“我們可以在非常溫和的條件下以非常慢的充電速率制造非晶態(tài)金屬，”美國國家解放軍首長級研究員，美國國家解放軍負責(zé)人Boryann Liaw說。“這很令人驚訝。”

該結(jié)果是違反直覺的，因為專家認為緩慢的沉積速度將使原子能夠找到有序的結(jié)晶鋰。然而，建模工作解釋了反應(yīng)動力學(xué)如何驅(qū)動玻璃狀形成。該團隊通過創(chuàng)造出玻璃狀的四種反應(yīng)性金屬來證實這些發(fā)現(xiàn)，這些反應(yīng)性金屬對電池應(yīng)用具有吸引力。

研究結(jié)果可以幫助實現(xiàn)Battery500財團的目標(biāo)，Battery500財團是由美國能源部資助的一項研究計劃。該聯(lián)盟旨在開發(fā)商業(yè)上可行的電動汽車電池，其電池級比能為500 Wh / kg。另外，這種新的認識可能會導(dǎo)致更有效的金屬催化劑，更堅固的金屬涂層以及可從玻璃態(tài)金屬中受益的其他應(yīng)用。