重大发现！非晶态锂将促进新型高性能电池的出现

金属的无定形程度越高,其在电池中的电化学性能就越好。但是,电池行业的代名词锂主要以晶体形式出现-导致其在锂离子电池中的行为存在许多问题。

非晶态金属的生产特别具有挑战性。然而,一组电池材料研究人员最近发现了一种在电池中制造非晶金属(包括锂)的方法,这或多或少是出于偶然。来自爱达荷国家实验室和圣地亚哥大学的研究小组研究了锂离子电池充电前几分钟的原子水平。

研究人员在最近发表在《自然材料》上的“高性能可充电锂电池的玻璃锂金属阳极”中讨论了锂的电化学可逆性。这种可逆性决定了锂的形态和电学性质。因此,更好地理解这一过程可以促进高性能电池的发展。

当电池循环时,其锂离子沉积在阳极上。该过程的第一阶段被称为成核,其中第一部分金属离子形成一个起点,从那里其余的晶体金属颗粒生长。利用低温透射电子显微镜,该团队第一次成功地可视化了锂金属在阳极上的初始沉积。当锂以晶体形式沉积时,主要的成核作用决定了剩余锂在其周围生长的方式。研究人员将这一过程称为“锂胚胎生长”。

根据《自然材料》杂志的文章,“根据初始成核过程中原子间的相互作用(例如,原子的堆积密度、质量传递和能量传递),锂原子核的纳米结构可以从无序到有序,最终形成最终的微观结构并影响性能。”

当锂太结晶的电荷不一致,随后导致树突形成-生长的不规则形状的晶体。这样的树突大大缩短了电池寿命。加州大学圣地亚哥分校开创性的低温显微镜研究工作者Shirley孟说:“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。真正的团队合作使我们能够自信地解释实验数据,因为计算模型帮助解释了复杂性。”

令研究人员惊讶的是,他们的实验第一次允许他们观察到纯非晶态金属元素。缓慢的充电速率也为非晶态锂的生长提供了有利条件。

在此之前,研究人员假设较慢的充电速度会导致较慢的沉积速度,从而使锂离子有更多的时间找到有序的结构进行排列,从而形成不利的结晶锂。

除了调整电荷电流以达到较慢的沉积速度,研究人员还使用了不同的电解质。在“基线”电解质中,大约48%的锂呈非晶态。

但当应用研究人员所说的先进电解质时,76%的电解质以无定形形式出现。在这两种情况下,其余的形成晶体结构。

研究表明,用不同的方法改变物质和能量传递的时空限制可以产生玻璃状金属矿床。这些策略包括降低电流密度的方法,设计先进的电解液组成,以及使用3D电流收集器。

研究人员说:“这些策略能够改变锂金属电极的大块微观结构,获得更大、更均匀的锂沉积,从而提高循环性能。”

研究人员总结说:“除了金属玻璃和能量储能领域,这些新的非晶活性金属将在各种应用领域开辟新的机会,包括生物医学、纳米技术和微机电机械系统。”