Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Национальной лаборатории штата Айдахо впервые увидели некристаллический «стекловидный» литий, который образуется на самых ранних стадиях перезарядки лития.
На таких стадиях медленная зарядка с низкой энергией приводит к тому, что электроды собирают атомы неорганизованным образом, что улучшает поведение при зарядке.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, ученые говорят, что эти результаты могут помочь отрегулировать подходы к подзарядке, чтобы продлить срок службы батареи и сделать стеклообразные металлы для других применений.
Чтобы провести свой эксперимент, ученые задались вопросом, влияла ли на схемы перезарядки в литиевых батареях самая ранняя конгрегация первых нескольких атомов, процесс, известный как зарождение.
Наноструктурные атомы лития (синий) осаждаются на электроде (желтый) во время зарядки аккумулятора.
Основанием, был тот факт, что в процессе перезарядки высокоэнергетических перезаряжаемых аккумуляторов способ осаждения атомов лития на анод может варьироваться от одного цикла перезарядки к следующему, что приводит к неустойчивой перезарядке и сокращению срока службы батареи.
Чтобы сделать свои наблюдения, ученые объединили изображения и анализы с помощью мощного электронного микроскопа с охлаждением жидким азотом и компьютерным моделированием. Криоскопическая электронная микроскопия позволила им увидеть создание «зародышей» металлического лития, а компьютерное моделирование помогло объяснить то, что они увидели.
Они обнаружили, что определенные условия создают менее структурированную форму лития, которая является аморфной (как стекло), а не кристаллической (как алмаз).
Во время перезарядки стекловидные зародыши лития с большей вероятностью оставались аморфными на протяжении роста. При изучении того, какие условия благоприятствуют стекловидному зародышеобразованию, команда обнаружила, что они способны получать аморфный металл в очень мягких условиях при очень низкой скорости зарядки.
Этот результат был нелогичным, поскольку эксперты предполагали, что медленные скорости осаждения позволят атомам найти свой путь в упорядоченный кристаллический литий. Тем не менее, работа по моделированию объяснила, как кинетика реакции управляет стеклообразным образованием.
Чтобы подтвердить эти выводы, ученые создали стекловидные формы еще четырех реактивных металлов, которые привлекательны для применения в батареях.
Результаты этого исследования помогут в достижении целей консорциума Battery500, инициативы Министерства энергетики США, которая финансировала исследование и которая направлена на разработку коммерчески жизнеспособных аккумуляторов для электромобилей с удельной энергией на уровне элемента, 500 Вт / кг.