研究充电基本原理的材料科学家有了一个惊人的发现，这可能为更好的电池、更快的催化剂和其他材料科学飞跃打开大门。

 

来自爱达荷国家实验室和加州大学圣地亚哥分校的科学家仔细研究了锂充电的最初阶段，发现缓慢、低能量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“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。

 

研究结果表明，可以通过微调充电方式来延长电池寿命，更有趣的是，还可以将玻璃金属用于其他用途。这项研究本周发表在《自然材料》的网络版上。

 

金属锂是高能可充电电池的首选阳极。然而，充电过程(在阳极表面沉积锂原子)在原子水平上还没有被很好地理解。锂原子沉积在阳极上的方式在不同的充电周期中会有所不同，这会导致不稳定的充电和电池寿命的缩短。

 

加州理工学院和加州大学圣迭戈分校的研究小组想知道，杏耀代理充电模式是否受到最初几个原子聚集的影响，这个过程被称为成核。

 

“这种初始形核可能会影响电池的性能、安全性和可靠性，”该研究所的科学家、论文的两位主要作者之一Gorakh Pawar说。

 

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看到了锂金属“胚胎”的形成过程，计算机模拟帮助解释了他们所看到的。

 

特别的是，他们发现在特定的条件下会产生一种结构较差的锂，它是无定形的(如玻璃)，而不是晶体状的(如钻石)。

 

“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，”Shirley孟说，她领导了加州大学圣地亚哥分校开创性的低温显微镜研究工作。她说，成像和光谱数据往往错综复杂。“真正的团队合作使我们能够自信地解释实验数据，因为计算模型有助于解释复杂性。”

 

纯非晶态元素金属以前从未被观察到过。它们极其难以生产，因此金属混合物(合金)通常需要达到“玻璃化”的结构，这赋予了强大的材料性能。

 

在充电期间，玻璃状锂胚胎更有可能在整个生长过程中保持无定形。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，在非常慢的充电速度下制造非晶态金属，”Boryann Liaw说，他是INL理事会的成员，也是这项工作的负责人。“很奇怪。”

 

这个结果是违反直觉的，因为专家们认为，缓慢的沉积速度会让原子找到进入有序晶体锂的途径。然而，建模工作解释了反应动力学如何驱动玻璃状的形成。该团队通过创造四种更具有活性的玻璃状金属来证实这些发现，这四种金属对电池应用很有吸引力。

 

研究结果可能有助于实现电池500联盟(Battery500 consortium)的目标，杏耀注册该联盟由美国能源部发起，杏耀注册 ，资助了这项研究。该联盟的目标是开发具有商业可行性的电动汽车电池，电池级比能量为500 Wh/kg。此外，这一新的认识可能导致更有效的金属催化剂，更强的金属涂层和其他应用，可受益于玻璃金属。

 

INL是美国能源部(DOE)的一个国家实验室，在能源部的每个战略目标领域开展工作:能源、国家安全、科学和环境。INL是美国核能研究和发展中心。巴特尔能源联盟负责实验室的日常管理和运行。