Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Национальной лаборатории Айдахо впервые увидели некристаллический «стекловидный» литий, который образуется на самых ранних стадиях перезарядки лития.
На таких стадиях медленная зарядка с низкой энергией заставляет электроды собирать атомы неорганизованным образом, что улучшает поведение при зарядке. Раньше такого не наблюдалось.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, ученые говорят, что эти результаты могут помочь отладить подходы к перезарядке, чтобы увеличить срок службы батарей и сделать стеклообразные металлы для других приложений.
Чтобы провести свой эксперимент, ученые задались вопросом, не повлияло ли на схему перезарядки литиевых батарей самое раннее скопление первых нескольких атомов, процесс, известный как зародышеобразование.
В основе их вопроса лежал тот факт, что в процессе перезарядки высокоэнергетических аккумуляторных батарей способ осаждения атомов лития на аноде может изменяться от одного цикла перезарядки к другому, что приводит к беспорядочной подзарядке и сокращению срока службы батареи.
Чтобы сделать свои наблюдения, ученые объединили изображения и анализ, полученные с помощью мощного электронного микроскопа, с охлаждением жидким азотом и компьютерным моделированием. Электронная микроскопия в криогенном состоянии позволила им увидеть создание «зародышей» из металлического лития, а компьютерное моделирование помогло объяснить то, что они видели. Они обнаружили, что определенные условия создают менее структурированную форму лития, которая была аморфной (как стекло), а не кристаллической (как алмаз).
Во время перезарядки стекловидные литиевые эмбрионы с большей вероятностью оставались аморфными на протяжении всего роста. Изучая условия, благоприятствующие стекловидному зародышеобразованию, команда обнаружила, что они смогли получить аморфный металл в очень мягких условиях при очень низкой скорости зарядки. Этот результат был нелогичным, потому что эксперты предполагали, что медленные скорости осаждения позволят атомам попасть в упорядоченный кристаллический литий. Тем не менее, моделирование объяснило, как кинетика реакции управляет стекловидным образованием. Чтобы подтвердить эти результаты, ученые создали стеклообразные формы еще четырех химически активных металлов, которые привлекательны для аккумуляторных батарей.
Согласно отчету университетских СМИ, результаты этого исследования могут помочь в достижении целей консорциума Battery500, инициативы Министерства энергетики, которая финансировала исследование и направлена на разработку коммерчески жизнеспособных аккумуляторных батарей для электромобилей с удельной энергией на уровне элементов 500 Втч/кг.
