Materiaalwetenschappers die de basisprincipes van opladen bestudeerden, deden een verbazingwekkende ontdekking die de deur zou kunnen openen naar betere batterijen, snellere katalysatoren en andere sprongen in de materiaalwetenschap.

Wetenschappers van de University of California San Diego en het Idaho National Laboratory hebben de vroegste stadia van het opladen van lithium onder de loep genomen en ontdekten dat langzaam, laagenergetisch opladen zorgt ervoor dat elektroden op een ongeorganiseerde manier atomen verzamelen, wat het laadgedrag verbetert. Dit niet-kristallijne "glasachtige" lithium was nog nooit waargenomen, en het maken van dergelijke amorfe metalen is van oudsher buitengewoon moeilijk.

De bevindingen suggereren strategieën voor het verfijnen van oplaadmethoden om de levensduur van de batterij te verlengen en - meer intrigerend - voor het maken van glasachtige metalen voor andere toepassingen. De studie werd op 27 juli gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Opladen bekenden, onbekenden

Lithiummetaal is een voorkeursanode voor oplaadbare batterijen met hoge energie. Toch wordt het oplaadproces (het afzetten van lithiumatomen op het anodeoppervlak) op atomair niveau niet goed begrepen. De manier waarop lithiumatomen zich op de anode afzetten, kan variëren van de ene oplaadcyclus tot de volgende, wat leidt tot onregelmatig opladen en een kortere levensduur van de batterij.

Het INL / UC San Diego-team vroeg zich af of oplaadpatronen werden beïnvloed door de vroegste congregatie van de eerste paar atomen, een proces dat bekend staat als nucleatie.

"Die initiële kiemvorming kan de prestaties van uw batterij beïnvloeden, veiligheid en betrouwbaarheid, " zei Gorakh Pawar, een INL-stafwetenschapper en een van de twee hoofdauteurs van het artikel.

Kijken naar de vorming van lithiumembryo's

De onderzoekers combineerden beelden en analyses van een krachtige elektronenmicroscoop met vloeibare stikstofkoeling en computermodellering. De cryo-state elektronenmicroscopie stelde hen in staat om de creatie van lithium-metaal "embryo's, " en de computersimulaties hielpen verklaren wat ze zagen.

Vooral, ze ontdekten dat bepaalde omstandigheden een minder gestructureerde vorm van lithium creëerden die amorf was (zoals glas) in plaats van kristallijn (zoals diamant).

"De kracht van cryogene beeldvorming om nieuwe fenomenen in de materiaalwetenschap te ontdekken, wordt getoond in dit werk, " zei Shirley Meng, corresponderende auteur en onderzoeker die het baanbrekende cryomicroscopiewerk van UC San Diego leidde. Meng is hoogleraar NanoEngineering, en directeur van het Sustainable Power and Energy Center van UC San Diego, en het Institute for Materials Discovery and Design. De beeldvorming en spectroscopische gegevens zijn vaak ingewikkeld, ze zei. "Door echt teamwerk konden we de experimentele gegevens met vertrouwen interpreteren, omdat de computationele modellering hielp om de complexiteit te ontcijferen."

Een glazige verrassing

Zuivere amorfe elementaire metalen waren nog nooit eerder waargenomen. Ze zijn uiterst moeilijk te produceren, dus metaalmengsels (legeringen) zijn typisch vereist om een ​​"glasachtige" configuratie te bereiken, die krachtige materiaaleigenschappen verleent.

Tijdens het opladen, glasachtige lithiumembryo's hadden meer kans om amorf te blijven tijdens de groei. Tijdens het bestuderen van welke omstandigheden glazige kiemvorming bevorderden, het team was opnieuw verrast.

"We kunnen amorf metaal maken in zeer milde omstandigheden met een zeer lage laadsnelheid, " zei Boryann Liaw, een INL directoraat fellow en INL leiden het werk. "Het is nogal verrassend."

Die uitkomst was contra-intuïtief omdat experts aannamen dat lage depositiesnelheden de atomen in staat zouden stellen hun weg te vinden naar een geordende, kristallijn lithium. Maar modelleringswerk legde uit hoe reactiekinetiek de glasachtige formatie aanstuurt. Het team bevestigde die bevindingen door glasachtige vormen van vier meer reactieve metalen te creëren die aantrekkelijk zijn voor batterijtoepassingen.

De onderzoeksresultaten kunnen helpen om de doelen van het Battery500-consortium te bereiken, een initiatief van het ministerie van Energie dat het onderzoek financierde. Het consortium heeft tot doel commercieel levensvatbare batterijen voor elektrische voertuigen te ontwikkelen met een specifieke energie op celniveau van 500 Wh/kg. Plus, dit nieuwe begrip zou kunnen leiden tot effectievere metaalkatalysatoren, sterkere metaalcoatings en andere toepassingen die baat kunnen hebben bij glasachtige metalen.