導(dǎo)讀:研究人員已經(jīng)開始研究鋰在電池循環(huán)過程中的沉積動力學(xué)。通過改變不同的參數(shù),他們發(fā)現(xiàn)將鋰轉(zhuǎn)化為無定形是相對容易的,這在機(jī)電水平上是優(yōu)越的。

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

非晶態(tài)金屬的生產(chǎn)特別具有挑戰(zhàn)性。然而,一組電池材料研究人員最近發(fā)現(xiàn)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(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室和圣地亞哥大學(xué)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(fā)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(xué)可逆性。這種可逆性決定了鋰的形態(tài)和電學(xué)性質(zhì)。因此,更好地理解這一過程可以促進(jìn)高性能電池的發(fā)展。

當(dāng)電池循環(huán)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(diǎn),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(tuán)隊(duì)第一次成功地可視化了鋰金屬在陽極上的初始沉積。當(dāng)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(jù)《自然材料》雜志的文章,“根據(jù)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(zhì)量傳遞和能量傳遞),鋰原子核的納米結(jié)構(gòu)可以從無序到有序,最終形成最終的微觀結(jié)構(gòu)并影響性能。”

當(dāng)鋰太結(jié)晶的電荷不一致,隨后導(dǎo)致樹突形成-生長的不規(guī)則形狀的晶體。這樣的樹突大大縮短了電池壽命。加州大學(xué)圣地亞哥分校開創(chuàng)性的低溫顯微鏡研究工作者Shirley孟說:“低溫成像在材料科學(xué)中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的能力在這項(xiàng)工作中得到了展示。真正的團(tuán)隊(duì)合作使我們能夠自信地解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),因?yàn)橛嬎隳Ｐ蛶椭忉屃藦?fù)雜性。”

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

在此之前,研究人員假設(shè)較慢的充電速度會導(dǎo)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(jié)構(gòu)進(jìn)行排列,從而形成不利的結(jié)晶鋰。

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

但當(dāng)應(yīng)用研究人員所說的先進(jìn)電解質(zhì)時,76%的電解質(zhì)以無定形形式出現(xiàn)。在這兩種情況下,其余的形成晶體結(jié)構(gòu)。

研究表明,用不同的方法改變物質(zhì)和能量傳遞的時空限制可以產(chǎn)生玻璃狀金屬礦床。這些策略包括降低電流密度的方法,設(shè)計先進(jìn)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(jié)構(gòu),獲得更大、更均勻的鋰沉積,從而提高循環(huán)性能。”

研究人員總結(jié)說:“除了金屬玻璃和能量儲能領(lǐng)域,這些新的非晶活性金屬將在各種應(yīng)用領(lǐng)域開辟新的機(jī)會,包括生物醫(yī)學(xué)、納米技術(shù)和微機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)。”

據(jù)微鋰電小組調(diào)查隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了電池行業(yè)可能感興趣的其他金屬。它們包括鈉、鉀、錳和鋅。非晶態(tài)金屬不會產(chǎn)生樹枝狀晶體,因此它們除了可以改善電化學(xué)性能外,還可以顯著改善電池的使用壽命。