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(dá)荷州國家實驗室的科學(xué)家仔細(xì)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，并且更加有趣的是，為其他應(yīng)用制造玻璃狀金屬。該研究于七月二十七日發(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圣地亞哥小組想了解，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，該論文的兩位重要作者之一Gorakhpawar說：“最初的成核用途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(qiáng)大的電子顯微鏡中的圖像和分析與液氮冷卻和計算機(jī)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”的出現(xiàn)，并且計算機(jī)模擬有助于解釋他們所看到的。

特別是，他們發(fā)現(xiàn)某些條件會出現(xiàn)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(tuán)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(qiáng)大的性能。

在充電過程中，玻璃狀鋰胚在整個生長過程中更加有可能保持非晶態(tài)。在研究哪種條件有利于玻璃狀成核時，研究團(tuán)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(fù)責(zé)人BoryannLiaw說。“這很令人驚訝。”

該結(jié)果是違反直覺的，因為專家認(rèn)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(tuán)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(tuán)的目標(biāo)，Battery500財團(tuán)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500Wh/kg。另外，這種新的認(rèn)識可能會導(dǎo)致更加有效的金屬催化劑，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。