金屬的無定形程度越高,其在電池中的電化學性能就越好。但是,電池行業的代名詞鋰主要以晶體形式出現，導致其在鋰離子電池中的行為存在許多問題。

非晶態金屬的生產特別具有挑戰性。然而,一組電池材料研究人員最近發現了一種在電池中制造非晶金屬(包括鋰)的方法,這或多或少是出于偶然。來自愛達荷國家實驗室和圣地亞哥大學的研究小組研究了鋰離子電池充電前幾分鐘的原子水平。

研究人員在最近發表在《自然材料》上的“高性能可充電鋰電池的玻璃鋰金屬陽極”中討論了鋰的電化學可逆性。這種可逆性決定了鋰的形態和電學性質。因此,更好地理解這一過程可以促進高性能電池的發展。

當電池循環時,其鋰離子沉積在陽極上。該過程的第一階段被稱為成核,其中第一部分金屬離子形成一個起點,從那里其余的晶體金屬顆粒生長。利用低溫透射電子顯微鏡,該團隊第一次成功地可視化了鋰金屬在陽極上的初始沉積。當鋰以晶體形式沉積時,主要的成核作用決定了剩余鋰在其周圍生長的方式。研究人員將這一過程稱為“鋰胚胎生長”。

根據《自然材料》雜志的文章,“根據初始成核過程中原子間的相互作用(例如,原子的堆積密度、質量傳遞和能量傳遞),鋰原子核的納米結構可以從無序到有序,最終形成最終的微觀結構并影響性能。”

當鋰太結晶的電荷不一致,隨后導致樹突形成-生長的不規則形狀的晶體。這樣的樹突大大縮短了電池壽命。加州大學圣地亞哥分校開創性的低溫顯微鏡研究工作者shirley孟說:“低溫成像在材料科學中發現新現象的能力在這項工作中得到了展示。真正的團隊合作使我們能夠自信地解釋實驗數據,因為計算模型幫助解釋了復雜性。”

令研究人員驚訝的是,他們的實驗第一次允許他們觀察到純非晶態金屬元素。緩慢的充電速率也為非晶態鋰的生長提供了有利條件。

在此之前,研究人員假設較慢的充電速度會導致較慢的沉積速度,從而使鋰離子有更多的時間找到有序的結構進行排列,從而形成不利的結晶鋰。

除了調整電荷電流以達到較慢的沉積速度,研究人員還使用了不同的電解質。在“基線”電解質中,大約48%的鋰呈非晶態。

但當應用研究人員所說的先進電解質時,76%的電解質以無定形形式出現。在這兩種情況下,其余的形成晶體結構。

研究表明,用不同的方法改變物質和能量傳遞的時空限制可以產生玻璃狀金屬礦床。這些策略包括降低電流密度的方法,設計先進的電解液組成,以及使用3d電流收集器。

研究人員說:“這些策略能夠改變鋰金屬電極的大塊微觀結構,獲得更大、更均勻的鋰沉積,從而提高循環性能。”

研究人員總結說:“除了金屬玻璃和能量儲能領域,這些新的非晶活性金屬將在各種應用領域開辟新的機會,包括生物醫學、納米技術和微機電機械系統。”

據微鋰電小組調查隊還發現了電池行業可能感興趣的其他金屬。它們包括鈉、鉀、錳和鋅。非晶態金屬不會產生樹枝狀晶體,因此它們除了可以改善電化學性能外,還可以顯著改善電池的使用壽命。

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