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(dòng)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(duì)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(guó)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(shí)，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(gè)起點(diǎn)，從那里其余的晶體金屬顆粒生長(zhǎng)。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(shí)，主要的成核作用決定了剩余鋰在其周圍生長(zhǎng)的方式。研究人員將這一過程稱為“鋰胚胎生長(zhǎng)”。

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(zhǎng)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?jì)算模型幫助解釋了復(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(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致較慢的沉積速度，從而使鋰離子有更多的時(shí)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(shí)，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(shí)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(jì)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?jī)?chǔ)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(huì)，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(huì)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。