科学家发现稀有玻璃态金属，可明显提高电池性能

研究充电基本原理的材料科学家做出了惊人的发现，这可能为更好的电池，更快的催化剂和其他材料科学的飞跃打开了大门。

加州大学圣地亚哥分校和爱达荷州国家实验室的科学家仔细研究了锂的最早充电阶段，并了解到缓慢的低能充电会导致电极以无序的方式收集原子，从而改善了充电行为。从未观察到这种非晶态的“玻璃状”锂，传统上很难形成这种非晶态金属。

研究结果提出了微调充电方法的策略，以延长电池寿命，并且更加有趣的是，为其他应用制造玻璃状金属。该研究于七月二十七日发表在《自然材料》上。

锂金属是高能可充电电池的优选阳极。然而，在原子水平上还不清楚充电过程（将锂原子沉积到阳极表面）。锂原子沉积到阳极上的方式可能在一个充电循环到另一个充电循环之间变化，从而导致充电不稳定和电池寿命缩短。

INL/UC圣地亚哥小组想了解，充电方式是否受到前几个原子最早的聚集的影响，这一过程称为成核。

INL的科学家，该论文的两位重要作者之一Gorakhpawar说：“最初的成核用途可能会影响电池的性能，安全性和可靠性。”

看着锂胚胎形成

研究人员将强大的电子显微镜中的图像和分析与液氮冷却和计算机建模相结合。低温电子显微镜使他们能够看到锂金属“胚胎”的出现，并且计算机模拟有助于解释他们所看到的。

特别是，他们发现某些条件会出现结构化程度较低的锂，该锂为非晶态（如玻璃）而不是晶体（如金刚石）。

“这项工作展示了低温成像发现材料科学新现象的能力，”领导加州大学圣地亚哥分校开创性的低温显微镜研究的通讯作者，研究员谢雪丽·孟说。Meng是NanoEngineering教授，还是圣地亚哥加州大学圣地亚哥分校的可持续能源与能源中心以及材料发现与设计研究所的所长。她说，成像和光谱数据常常令人费解。“真正的团队合作使我们能够自信地解释实验数据，因为计算模型有助于破译复杂性。”

惊喜

以前从未观察到纯的非晶态元素金属。它们极难生产，因此通常要金属混合物（合金）以实现“玻璃状”结构，从而赋予材料强大的性能。

在充电过程中，玻璃状锂胚在整个生长过程中更加有可能保持非晶态。在研究哪种条件有利于玻璃状成核时，研究团队再次感到惊讶。

“我们可以在非常温和的条件下以非常慢的充电速率制造非晶态金属，”美国国家解放军首长级研究员，美国国家解放军负责人BoryannLiaw说。“这很令人惊讶。”

该结果是违反直觉的，因为专家认为缓慢的沉积速度将使原子能够找到有序的结晶锂。然而，建模工作解释了反应动力学如何驱动玻璃状形成。该团队通过创造出玻璃状的四种反应性金属来证实这些发现，这些反应性金属对电池应用具有吸引力。

研究结果可以帮助实现Battery500财团的目标，Battery500财团是由美国能源部资助的一项研究计划。该联盟旨在开发商业上可行的电动汽车电池，其电池级比能为500Wh/kg。另外，这种新的认识可能会导致更加有效的金属催化剂，更坚固的金属涂层以及可从玻璃态金属中受益的其他应用。