美國(guó)新發(fā)現(xiàn)可用微調(diào)充電方式延長(zhǎng)電池壽命

據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校（the University of California San Diego）和愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Idaho National Laboratory）的科學(xué)家仔細(xì)研究了鋰離子電池充電的最初階段，并且發(fā)現(xiàn)緩慢、低能量充電方式可以讓電極以無(wú)序的方式收集原子，從而改善電池的充電行為。此外，還發(fā)現(xiàn)了此前從未被發(fā)現(xiàn)的非晶態(tài)“玻璃狀”鋰，而且從傳統(tǒng)上看，制造此種非晶態(tài)金屬也極其困難。不過(guò)，這一發(fā)現(xiàn)為更好的電池、更快的催化劑以及其他材料科學(xué)的飛躍發(fā)展打開(kāi)了大門(mén)。

這一發(fā)現(xiàn)提出了用微調(diào)充電方式延長(zhǎng)電池壽命的策略，而且此種玻璃狀金屬還可用于其他用途。

鋰金屬被認(rèn)為是高能量可充電電池的首選陽(yáng)極。但是，研究人員沒(méi)有很好地了解在充電過(guò)程中，在陽(yáng)極表面所沉積的鋰原子。每次充電循環(huán)中，鋰原子在陽(yáng)極上沉積方式都會(huì)有所不同，從而導(dǎo)致充電不穩(wěn)定，電池壽命有所縮短。

加州大學(xué)圣地亞哥分校和愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究小組想了解，充電模式是否受最初聚集的幾個(gè)原子的影響，即成核過(guò)程中聚集的原子。

研究人員將配備液氮冷卻的強(qiáng)大電子顯微鏡的圖像和分析與計(jì)算機(jī)建模相結(jié)合，此種低溫電子顯微鏡可以讓研究人員看到鋰金屬“胚胎”的形成過(guò)程，而計(jì)算機(jī)模擬可以解釋所看到的東西。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在特定條件下會(huì)產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)較差的鋰，是一種形狀不定（如玻璃），而不是晶體狀（如鉆石）的鋰。

此前，研究人員從未觀察到純非晶態(tài)的金屬，而且極難生產(chǎn)此種金屬，因此通常需要讓金屬混合物（合金）來(lái)達(dá)到“玻璃化”的結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的材料性能。

在充電過(guò)程中，玻璃狀鋰“胚胎”更有可能在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中保持形狀不定。在研究什么條件有利于玻璃成核時(shí)，研究小組感到了驚訝。研究人員表示：“我們可以在非常溫和的條件下，以非常慢的充電速度制造出非晶態(tài)金屬?！?/p>

這一研究成果與之前的常識(shí)不符，因?yàn)檠芯咳藛T認(rèn)為沉積速度慢會(huì)讓原子找到進(jìn)入到有序晶體鋰中的途徑。但是，建模研究解釋了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)如何促進(jìn)玻璃狀金屬的形成。該小組通過(guò)打造四種活性更高的玻璃狀金屬來(lái)證實(shí)研究中的發(fā)現(xiàn)，而且此四種金屬都有潛力應(yīng)用于電池。

此次研究的成果有助于實(shí)現(xiàn)Battery500聯(lián)盟的目標(biāo)。該聯(lián)盟由美國(guó)能源部發(fā)起，而且美國(guó)能源部還對(duì)該項(xiàng)研究提供了資助。該聯(lián)盟的目標(biāo)是研發(fā)具有商業(yè)可行性的電動(dòng)汽車(chē)電池，電池的比能需要達(dá)到500 Wh/kg。此外，這一新發(fā)現(xiàn)有可能實(shí)現(xiàn)更有效的金屬催化劑、更強(qiáng)大的金屬涂層以及其他受益于玻璃金屬的應(yīng)用。
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