Новое исследование описывает эволюцию наноструктурных атомов лития (синие), которые оседают на электроде (желтые) во время зарядки аккумулятора. Изображение предоставлено Национальной лабораторией Айдахо

Исследователи из Национальной лаборатории Айдахо, работающие с Калифорнийским университетом в Сан-Диего, продемонстрировали улучшение поведения при зарядке. Полученные данные предлагают стратегии, которые улучшат перезарядку и продлят срок службы батареи. Неотразимые исследования по производству стеклообразных металлов:

Авторы пишут, что по сравнению с кристаллическим литием стекловидный литий обладает лучшей электрохимической обратимостью и является желательной структурой для высокоэнергетических перезаряжаемых батарей».

Исследование опубликовано в журнале Nature Materials. Ван, X., Павар, Г., Ли, Ю. et al. Стекловидный литий-металлический анод для высокопроизводительных литиевых аккумуляторов. Нац. Мать. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1

Здесь криогенная просвечивающая электронная микроскопия использовалась для выявления эволюционирующей наноструктуры отложений металлического лития в различных переходных состояниях в процессе зарождения и роста, в которых наблюдался фазовый переход беспорядок-порядок в зависимости от плотности тока и времени осаждения. . Взаимодействие атомов в широких пространственных и временных масштабах было изображено с помощью моделирования реактивной молекулярной динамики, чтобы помочь понять кинетику. По сравнению с кристаллическим литием, стеклообразный литий лучше по электрохимической обратимости, и его структура подходит для высокоэнергетических перезаряжаемых литиевых батарей.

Наши результаты коррелируют кристалличность ядер с последующим ростом наноструктуры и морфологии, а также предлагают стратегии контроля и формирования мезоструктуры металлического лития для достижения высокой производительности в перезаряжаемых литиевых батареях.

Полная история:

ПОИСКИ ПО УЛУЧШЕНИЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АККУМУЛЯТОРОВ ПРИВЕЛИ К ОТКРЫТИЮ РЕДКОГО СТЕКЛОВИДНОГО МЕТАЛЛА

Первоначально опубликовано Национальной лабораторией Айдахо

Ученые-материаловеды, внимательно изучавшие первые несколько моментов перезарядки батареи, столкнулись с поразительной сущностью. Их открытие бросило вызов ожиданиям, логике и опыту. Что еще более важно, это может открыть двери для более качественных аккумуляторов, более быстрых катализаторов и других прорывов в материаловедении.

Ученые из Национальной лаборатории Айдахо и Калифорнийского университета в Сан-Диего исследовали самые ранние стадии перезарядки лития на атомарном уровне. К своему удивлению, они узнали, что медленная низкоэнергетическая зарядка приводит к беспорядочному осаждению атомов лития на электродах, что улучшает процесс зарядки. Этот некристаллический «стекловидный» литий никогда не наблюдался, и создание таких аморфных металлов традиционно было чрезвычайно сложным.

Полученные данные предлагают стратегии для тонкой настройки подходов к перезарядке для увеличения срока службы батареи и, что интересно, для изготовления стекловидных металлов для других применений. Исследование было опубликовано на этой неделе в разделе Nature Materials. .

ПРИНИМАЕТСЯ ИЗВЕСТНО, НЕИЗВЕСТНО

Металлический литий считается идеальным анодом для аккумуляторов высокой энергии, которые должны быть легкими, но хранить много энергии. Перезарядка таких аккумуляторов включает осаждение атомов лития на поверхность анода, процесс, который недостаточно хорошо изучен на атомном уровне.

Ученым известно, что литий-металлические аноды могут беспорядочно перезаряжаться и, как следствие, не выдерживают большого количества циклов перезарядки. То, как атомы лития осаждаются на аноде, может варьироваться от одного цикла перезарядки к другому, вероятно, под влиянием самого раннего скопления первых нескольких атомов, процесса, известного как зародышеобразование.

«Эта первоначальная нуклеация может повлиять на производительность, безопасность и надежность вашей батареи», — сказал Горакх Павар, научный сотрудник INL и один из двух ведущих авторов статьи. «Очень важно понять основной механизм отложения лития… особенно на самой ранней стадии зародышеобразования», — написали они.

НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ФОРМИРОВАНИЕМ ЛИТИЕВЫХ ЭМБРИОНОВ

Чтобы выяснить, как атомы лития впервые собираются вместе во время перезарядки, исследователи объединили изображения и анализы с мощного электронного микроскопа с охлаждением жидким азотом и компьютерным моделированием. Новаторский метод криогенной электронной микроскопии позволил им увидеть создание «эмбрионов» металлического лития, а компьютерное моделирование помогло объяснить то, что они увидели.

Литий, как и другие металлы, обычно существует в структурированной кристаллической фазе. По словам Павара, такой «зернистый» литий может привести к непоследовательной перезарядке и короткому замыканию, поскольку кристаллы могут расти в различных формах. Неравномерный рост лития от одного цикла перезарядки к другому приводит к неправильной форме (дендриты) и может сократить срок службы батареи.

Когда исследовательская группа попыталась понять первоначальный процесс зародышеобразования, они были удивлены, узнав, что определенные условия создали менее структурированную форму лития, которая была аморфной (как стекло), а не кристаллической (как алмаз).

«В этой работе демонстрируется способность криогенной визуализации открывать новые явления в материаловедении», — сказала Ширли Менг, руководившая новаторской работой в области криомикроскопии в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Она сказала, что получаемые изображения и спектроскопические данные часто запутаны и сложны, отметив:«Это настоящая командная работа, которая позволила нам с уверенностью интерпретировать экспериментальные данные, потому что компьютерное моделирование помогло понять сложность».

СТЕКЛЯННЫЙ СЮРПРИЗ

По сравнению с кристаллическим литием, стеклообразный литий превосходит по электрохимической обратимости и является желательной структурой для высокоэнергетических перезаряжаемых батарей», — пишут авторы. Открытие стало шоком, потому что чистые аморфные элементарные металлы никогда раньше не наблюдались. Их чрезвычайно сложно производить, и только несколько металлических смесей (сплавов) наблюдались со «стекловидной» конфигурацией, которая придает материалу мощные свойства.

Более того, команда выяснила, что стеклообразный литиевый эмбрион с большей вероятностью сохранит свою аморфную структуру на протяжении всего роста. Когда исследователи пытались понять, какие условия благоприятствуют стекловидному зародышеобразованию, они снова были потрясены.

«Мы можем производить аморфный металл в очень мягких условиях при очень низкой скорости зарядки», — сказал Борьянн Лиау, сотрудник директората INL и руководитель INL в работе. «Это довольно удивительно».

Этот результат был нелогичным, потому что считалось, что медленные скорости осаждения позволят атомам найти свой путь в упорядоченный массив — зернистый литий. По словам Лиао, найти стеклообразный литий в таких условиях считалось немыслимым. Работа по моделированию объяснила, как кинетика реакции конкурирует с кристаллизацией, приводя к стекловидному образованию. Команда подтвердила эти выводы, создав стекловидные формы еще четырех реактивных металлов, привлекательных для применения в батареях.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

Исследование предлагает, как лучше получить стеклообразные отложения лития во время перезарядки аккумуляторов высокой энергии. При применении результат может помочь в достижении целей консорциума Battery500, инициативы Министерства энергетики, которая финансировала исследование. Консорциум стремится разработать коммерчески жизнеспособные аккумуляторы для электромобилей с удельной энергией на уровне элемента 500 Втч/кг.

«Настоящая инновация должна исходить из самого базового научного понимания любых материалов или процессов», — сказал Лиау. Кроме того, это новое понимание может привести к более эффективным металлическим катализаторам, более прочным металлическим покрытиям и другим применениям, в которых стекловидные металлы могут принести пользу.

.Корреляция между кристалличностью металлического лития и характеристиками (слева) и стратегиями достижения лучших характеристик (справа). Характеристики (слева) указаны как электрохимические характеристики металлического лития в качестве анода для металлических литий-ионных аккумуляторов, включая высокую кулоновскую эффективность (CE), длительный срок службы при циклировании, низкое изменение объема и отсутствие литиевых дендритов. Структурная связь определяется как способность поддерживать электронный и ионный пути для переноса заряда и транспорта ионов; плохая структурная связь будет способствовать потере электрохимической активности и формированию «мертвого» лития. Электрохимическую обратимость измеряют по соотношению содержания десорбированного Li к нанесенному Li, которое должно быть близко к 100%. Идеальная плотность отложений должна соответствовать теоретической плотности металлического лития (0,534 г/см3). Предлагаемые стратегии, такие как использование трехмерной подложки, изменение плотности тока, инженерная межфазная граница и разработка электролитов, могут изменить перенос энергии и массы EDLi во время зарождения и роста, что приведет к различной кристалличности EDLi. Ван и др.