Sjældent glasagtigt metal opdaget under søgen efter at forbedre batteriets ydeevne

Materialeforskere, der studerer grundlæggende genopladning, gjorde en forbløffende opdagelse, der kunne åbne døren til bedre batterier, hurtigere katalysatorer og andre materialevidenskabelige spring.

Forskere fra University of California San Diego og Idaho National Laboratory undersøgte de tidligste stadier af lithium-genopladning og lærte, at langsom, lavenergiopladning får elektroder til at samle atomer på en uorganiseret måde, hvilket forbedrer opladningsadfærden. Dette ikke-krystallinske "glasagtige" lithium var aldrig blevet observeret, og at skabe sådanne amorfe metaller har traditionelt været ekstremt vanskeligt.

Resultaterne foreslår strategier til finjustering af genopladningstilgange for at øge batterilevetiden og - mere spændende - til fremstilling af glasagtige metaller til andre applikationer. Undersøgelsen blev offentliggjort den 27. juli i Naturmaterialer .

Opladning kendte, ukendte

Lithiummetal er en foretrukken anode til genopladelige højenergibatterier. Alligevel er genopladningsprocessen (aflejring af lithiumatomer på anodeoverfladen) ikke godt forstået på atomniveau. Måden lithiumatomer aflejres på anoden kan variere fra en genopladningscyklus til den næste, fører til uregelmæssig genopladning og reduceret batterilevetid.

INL/UC San Diego-teamet spekulerede på, om genopladningsmønstre var påvirket af den tidligste forsamling af de første par atomer, en proces kendt som nukleation.

"Denne første nukleering kan påvirke din batteriydelse, sikkerhed og pålidelighed, " sagde Gorakh Pawar, en INL stab videnskabsmand og en af ​​papirets to hovedforfattere.

Ser lithium embryoner dannes

Forskerne kombinerede billeder og analyser fra et kraftigt elektronmikroskop med flydende-nitrogen-køling og computermodellering. Kryo-state elektronmikroskopi gjorde det muligt for dem at se skabelsen af ​​lithiummetal "embryoner, " og computersimuleringerne hjalp med at forklare, hvad de så.

I særdeleshed, de opdagede, at visse forhold skabte en mindre struktureret form for lithium, der var amorft (som glas) snarere end krystallinsk (som diamant).

"Kryogen billeddannelses kraft til at opdage nye fænomener inden for materialevidenskab er fremvist i dette arbejde, " sagde Shirley Meng, tilsvarende forfatter og forsker, der ledede UC San Diegos banebrydende kryo-mikroskopi-arbejde. Meng er professor i NanoEngineering, og direktør for UC San Diego's Sustainable Power and Energy Center, og Institut for Materialeopdagelse og Design. Billeddannelsen og spektroskopiske data er ofte indviklede, hun sagde. "Ægte teamwork gjorde det muligt for os at fortolke de eksperimentelle data med tillid, fordi den beregningsmæssige modellering hjalp med at tyde kompleksiteten."

En glasagtig overraskelse

Rene amorfe elementære metaller var aldrig blevet observeret før nu. De er ekstremt svære at fremstille, så metalblandinger (legeringer) er typisk nødvendige for at opnå en "glasagtig" konfiguration, som giver stærke materialeegenskaber.

Under genopladning, glasagtige lithium-embryoner var mere tilbøjelige til at forblive amorfe gennem hele væksten. Mens man studerede, hvilke forhold der favoriserede glasagtig kernedannelse, holdet blev overrasket igen.

"Vi kan lave amorft metal under meget milde forhold ved en meget langsom opladningshastighed, " sagde Boryann Liaw, en INL-direktoratstipendiat og INL leder på arbejdet. "Det er ret overraskende."

Dette resultat var kontraintuitivt, fordi eksperter antog, at langsomme aflejringshastigheder ville gøre det muligt for atomerne at finde vej til et ordnet, krystallinsk lithium. Alligevel forklarede modelleringsarbejde, hvordan reaktionskinetik driver den glasagtige formation. Holdet bekræftede disse resultater ved at skabe glasagtige former af fire mere reaktive metaller, der er attraktive til batteriapplikationer.

Forskningsresultaterne kunne hjælpe med at opfylde målene for Battery500-konsortiet, et initiativ fra Institut for Energi, der finansierede forskningen. Konsortiet har til formål at udvikle kommercielt levedygtige elbilbatterier med en celleniveauspecifik energi på 500 Wh/kg. Plus, denne nye forståelse kunne føre til mere effektive metalkatalysatorer, stærkere metalbelægninger og andre applikationer, der kunne drage fordel af glasagtige metaller.