Ny forskning beskriver utvecklingen av nanostrukturella litiumatomer (blå) som avsätts på en elektrod (gul) under batteriladdningsoperationen. Bild med tillstånd från Idaho National Laboratory
Forskare från Idaho National Laboratory som arbetar med University of California, San Diego har visat förbättringar i fråga om laddningsbeteende. Resultaten föreslår strategier som kommer att förbättra laddningen och öka batteriets livslängd. Den övertygande forskningen för att göra glasartade metaller:
Jämfört med kristallint litium överträffar glasartat litium i elektrokemisk reversibilitet och är en önskad struktur för högenergiuppladdningsbara batterier, skrev författarna."
Studien publicerad i Nature Materials av Wang, X., Pawar, G., Li, Y. et al. Glasaktig Li-metallanod för högpresterande uppladdningsbara Li-batterier. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1
Här användes kryogen transmissionselektronmikroskopi för att avslöja den utvecklande nanostrukturen av Li-metallavlagringar vid olika övergående tillstånd i kärnbildnings- och tillväxtprocessen, där en fasövergång av oordning och ordning observerades som en funktion av strömdensitet och avsättningstid . Den atomära interaktionen över breda rumsliga och tidsmässiga skalor skildrades av reaktiva molekylära dynamiksimuleringar för att hjälpa till att förstå kinetiken. Jämfört med kristallint Li överträffar glasartat Li vad gäller elektrokemisk reversibilitet, och det har en önskad struktur för uppladdningsbara Li-batterier med hög energi.
Våra fynd korrelerar kärnornas kristallinitet med den efterföljande tillväxten av nanostrukturen och morfologin, och tillhandahåller strategier för att kontrollera och forma mesostrukturen hos Li-metall för att uppnå hög prestanda i laddningsbara Li-batterier.
—Wang et al.
Hela historien:
Ursprungligen publicerad av Idaho National Laboratory
Materialforskare som granskade de första ögonblicken av batteriladdning mötte en häpnadsväckande enhet. Deras upptäckt trotsade förväntningar, logik och erfarenhet. Ännu viktigare, det kan öppna dörren till bättre batterier, snabbare katalysatorer och andra materialvetenskapliga språng.
Forskare från Idaho National Laboratory och University of California San Diego undersökte de tidigaste stadierna av litiumladdning på atomnivå. Till sin förvåning fick de veta att långsam laddning med låg energi gjorde att litiumatomer avsattes på elektroder på ett oorganiserat sätt som förbättrar laddningsbeteendet. Detta icke-kristallina "glasartade" litium hade aldrig observerats, och att skapa sådana amorfa metaller har traditionellt sett varit extremt svårt.
Resultaten föreslår strategier för att finjustera laddningsmetoder för att öka batteritiden och - spännande nog - för att göra glasartade metaller för andra applikationer. Studien dök upp online den här veckan i Nature Materials .
Litiummetall anses vara en idealisk anod för laddningsbara högenergibatterier, som måste vara lätta men ändå lagra mycket energi. Att ladda sådana batterier innebär avsättning av litiumatomer på anodytan, en process som inte är väl förstådd på atomnivå.
Forskare vet att litiummetallanoder kan laddas oregelbundet och som ett resultat inte tål många laddningscykler. Hur litiumatomer avsätts på anoden kan variera från en laddningscykel till nästa, troligen påverkad av den tidigaste samlingen av de första atomerna, en process som kallas kärnbildning.
"Den första kärnbildningen kan påverka din batteriprestanda, säkerhet och tillförlitlighet", säger Gorakh Pawar, en INL-personalforskare och en av tidningens två huvudförfattare. "Det är avgörande att förstå den underliggande mekanismen för litiumavsättning ... speciellt i det mycket tidiga skedet av kärnbildning," skrev de.
För att upptäcka hur litiumatomer först möts under omladdning, kombinerade forskarna bilder och analyser från ett kraftfullt elektronmikroskop med flytande-kväve-kylning och datormodellering. Det banbrytande tillvägagångssättet för elektronmikroskopi med kryotillstånd gjorde det möjligt för dem att se skapandet av "embryon" av litiummetall, och datorsimuleringarna hjälpte till att förklara vad de såg.
Litium, liksom andra metaller, finns vanligtvis i en strukturerad kristallin fas. Sådant "kornigt" litium kan leda till inkonsekvent laddning och shorts eftersom kristaller kan växa i olika former, sa Pawar. Inkonsekvent litiumtillväxtprogress från en laddningscykel till en annan resulterar i oregelbundna former (alias dendriter) och kan förkorta batteriets livslängd.
När forskargruppen försökte förstå den initiala kärnbildningsprocessen blev de förvånade över att få veta att vissa förhållanden skapade en mindre strukturerad form av litium som var amorft (som glas) snarare än kristallint (som diamant).
"Kryogen avbildnings kraft för att upptäcka nya fenomen inom materialvetenskap visas i det här arbetet", säger Shirley Meng, som ledde UC San Diegos banbrytande kryo-mikroskopiarbete. Hon sa att avbildningsdata och spektroskopiska data som erhålls ofta är invecklade och komplicerade, och noterade:"Det är sant lagarbete som gjorde det möjligt för oss att tolka experimentdata med tillförsikt eftersom beräkningsmodelleringen hjälpte till att dechiffrera komplexiteten."
Jämfört med kristallint litium överträffar glasartat litium vad gäller elektrokemisk reversibilitet och är en önskad struktur för laddningsbara batterier med hög energi”, skrev författarna. Fyndet kom som en chock eftersom rena amorfa elementära metaller aldrig hade observerats tidigare. De är extremt svåra att tillverka, och endast ett fåtal metallblandningar (legeringar) har observerats med en "glasaktig" konfiguration, vilket ger kraftfulla materialegenskaper.
Dessutom fick teamet veta att ett glasartat litiumembryo är mer benäget att behålla sin amorfa struktur under hela tillväxten. När forskarna arbetade för att förstå vilka förhållanden som gynnade glasartad kärnbildning blev de chockade igen.
"Vi kan tillverka amorf metall under mycket milda förhållanden med en mycket långsam laddningshastighet", säger Boryann Liaw, en INL-direktör och INL-ledare för arbetet. "Det är ganska överraskande."
Det resultatet var kontraintuitivt eftersom man trodde att långsamma avsättningshastigheter skulle göra det möjligt för atomerna att hitta sin väg in i en ordnad uppsättning - kornig litium. Att hitta glasartat litium under sådana förhållanden ansågs otänkbart, sa Liaw. Modelleringsarbete förklarade hur reaktionskinetik konkurrerar med kristallisation för att driva den glasartade formationen. Teamet bekräftade dessa fynd genom att skapa glasartade former av ytterligare fyra reaktiva metaller som är attraktiva för batteriapplikationer.
Forskningen föreslår hur man bättre kan uppnå glasartade litiumavlagringar under laddning av högenergibatterier. När det tillämpas kan resultatet hjälpa till att uppfylla målen för Battery500-konsortiet, ett initiativ från Department of Energy som finansierade forskningen. Konsortiet har som mål att utveckla kommersiellt gångbara elfordonsbatterier med en cellnivåspecifik energi på 500 Wh/kg.
"Den verkliga innovationen måste komma från mycket grundläggande vetenskaplig förståelse av alla material eller processer," sa Liaw. Dessutom kan denna nya förståelse leda till effektivare metallkatalysatorer, starkare metallbeläggningar och andra applikationer som kan dra nytta av glasartade metaller.
.Korrelation mellan kristallinitet hos Li-metall och prestanda (vänster) och strategier för att uppnå bättre prestanda (höger). Prestandan (vänster) är specificerad som den elektrokemiska prestandan för Li-metall som anod för Li-metallbatterier, inklusive hög Coulombic effektivitet (CE), lång livslängd, låg volymförändring och frånvaro av Li-dendriter. Den strukturella anslutningen hänvisas till som förmågan att upprätthålla den elektroniska och joniska vägen för laddningsöverföring och jontransport; dålig strukturell anslutning kommer att underlätta förlorad elektrokemisk aktivitet och bilda "död" Li. Den elektrokemiska reversibiliteten mäts genom innehållsförhållandet av strippad Li med pläterad Li, som bör vara nära 100 %. Den ideala avlagringstätheten bör överensstämma med den teoretiska densiteten för Li-metall (0,534 g cm–3). De föreslagna strategierna som att använda 3D-substratet, ändra strömtäthet, teknisk interfas och designa elektrolyter kan förändra energiöverföringen och massöverföringen av EDLi under kärnbildning och tillväxt, vilket resulterar i varierad kristallinitet hos EDLi. Wang et al.
