Materialforskare som studerar laddningsgrunderna gjorde en häpnadsväckande upptäckt som kunde öppna dörren för bättre batterier, snabbare katalysatorer och andra materialvetenskapliga språng.

Forskare från University of California San Diego och Idaho National Laboratory granskade de tidigaste stadierna av litiumladdning och lärde sig att långsamt, lågenergiladdning gör att elektroder samlar atomer på ett oorganiserat sätt som förbättrar laddningsbeteendet. Detta icke -kristallina "glasartade" litium hade aldrig observerats, och att skapa sådana amorfa metaller har traditionellt varit extremt svårt.

Fynden föreslår strategier för finjustering av laddningssätt för att öka batteriets livslängd och-mer intressant-för att tillverka glasartade metaller för andra applikationer. Studien publicerades den 27 juli i Naturmaterial .

Ladda knowns, okända

Litiummetall är en föredragen anod för laddningsbara batterier med hög energi. Ändå är laddningsprocessen (avsättning av litiumatomer på anodytan) inte väl förstådd på atomnivå. Hur litiumatomer deponeras på anoden kan variera från en laddningscykel till nästa, vilket leder till oregelbunden laddning och minskad batteritid.

INL/UC San Diego -teamet undrade om laddningsmönster påverkades av den tidigaste församlingen av de första atomerna, en process som kallas kärnbildning.

"Den första kärnbildningen kan påverka batteriets prestanda, säkerhet och tillförlitlighet, "sa Gorakh Pawar, en INL -personalvetare och en av tidningens två huvudförfattare.

Tittar på litiumembryon

Forskarna kombinerade bilder och analyser från ett kraftfullt elektronmikroskop med flytande kvävekylning och datormodellering. Kryostatens elektronmikroskopi tillät dem att se skapandet av litiummetall "embryon, "och datasimuleringarna hjälpte till att förklara vad de såg.

Särskilt, de upptäckte att vissa förhållanden skapade en mindre strukturerad form av litium som var amorft (som glas) snarare än kristallint (som diamant).

"Kryogenbildningens kraft att upptäcka nya fenomen inom materialvetenskap visas i detta arbete, "sa Shirley Meng, motsvarande författare och forskare som ledde UC San Diego:s banbrytande kryo-mikroskopiarbete. Meng är professor i NanoEngineering, och chef för UC San Diego's Sustainable Power and Energy Center, och Institute for Material Discovery and Design. Bild- och spektroskopiska data är ofta invecklade, Hon sa. "Sann lagarbete gjorde det möjligt för oss att tolka experimentella data med tillförsikt eftersom beräkningsmodelleringen hjälpte till att dechiffrera komplexiteten."

En glasartad överraskning

Rena amorfa elementära metaller hade aldrig observerats innan nu. De är extremt svåra att tillverka, så metallblandningar (legeringar) krävs vanligtvis för att uppnå en "glasartad" konfiguration, som ger kraftfulla materialegenskaper.

Under laddning, glasiga litiumembryon var mer benägna att förbli amorfa under hela tillväxten. Medan man studerade vilka förhållanden som gynnade glasartad kärnbildning, laget blev förvånad igen.

"Vi kan göra amorf metall under mycket milda förhållanden med en mycket långsam laddningshastighet, "sa Boryann Liaw, en INL -direktor och INL -chef på arbetet. "Det är ganska förvånande."

Detta resultat var kontraintuitivt eftersom experter antog att långsamma avsättningshastigheter skulle tillåta atomerna att hitta in i en ordnad, kristallint litium. Ändå förklarade modelleringsarbetet hur reaktionskinetiken driver den glasartade formationen. Teamet bekräftade dessa fynd genom att skapa glasartade former av ytterligare fyra reaktiva metaller som är attraktiva för batteritillämpningar.

Forskningsresultaten kan hjälpa till att uppfylla målen för Battery500 -konsortiet, ett Department of Energy -initiativ som finansierade forskningen. Konsortiet syftar till att utveckla kommersiellt livskraftiga elbatterier med en specifik cellnivå på 500 Wh/kg. Plus, denna nya förståelse kan leda till mer effektiva metallkatalysatorer, starkare metallbeläggningar och andra applikationer som kan ha nytta av glasartade metaller.