由加州大學聖地牙哥分校和愛達荷國家實驗室（Idaho National Laboratory ）的科學家組成的一個研究團隊，在探索如何提高電池性能的研究中，意外發現了一種稀有的玻璃態金屬。這一驚人的發現，可能為更好的電池、更快的催化劑和其他材料科學的飛躍打開了大門。該最新發現研究結果論文，題為：「用於高性能可充電鋰電池的玻璃鋰金屬陽極」，發表在今天的《自然·材料》雜誌上。
論文第一作者為華人學者Xuefeng Wang，論文作者中還包括其他9位華人學者。如圖所示為了提高電池性能而發現的稀有玻璃態金屬，該項新的研究描述了在電池充電過程中沉積在電極（黃色）上的納米結構鋰原子（藍色）的演變。
研究團隊仔細研究了鋰的最早充電階段，並了解到緩慢的低能充電會導致電極以無序的方式收集原子，從而改善了充電行為。過去從來沒有觀察到這種非晶態的「玻璃狀」鋰，傳統上很難形成這種非晶態金屬。
研究結果提出了微調充電方法的策略，以延長電池壽命，並且更有趣的是，為其他應用指出了製造玻璃狀金屬的新途徑。
充電已知，得到未知
鋰金屬是高能可充電電池的優選陽極。然而，在原子水平上還不清楚充電過程（將鋰原子沉積到陽極表面）。鋰原子沉積到陽極上的方式可能在一個充電循環到另一個充電循環之間變化，從而導致充電不穩定和電池壽命縮短。
研究小組想知道，充電方式是否受到前幾個原子最早的聚集的影響，這一過程稱為成核。該論文主導作者之一、愛達荷國家實驗室首席研究員、戈拉克·帕瓦爾（Gorakh Pawar）說：「最初的成核作用可能會影響電池的性能，安全性和可靠性。」
看著鋰胚胎形成
研究人員將強大的電子顯微鏡中的圖像和分析與液氮冷卻和計算機建模相結合。低溫電子顯微鏡使他們能夠看到鋰金屬「胚胎」的產生，並且計算機模擬有助於解釋他們所看到的。
特別是，他們發現某些條件會產生結構化程度較低的鋰，該鋰為非晶態（如玻璃）而不是晶體（如金剛石）。
論文主導作者之一、加州大學聖地牙哥分校納米工程教授、新加坡華裔學者、孟英（Ying Shirley Meng）表示：「這項工作展示了低溫成像發現材料科學新現象的能力，」成像和光譜數據常常令人費解。 「真正的團隊合作使我們能夠自信地解釋實驗數據，因為計算模型有助於破譯複雜性。」
她領導加州大學聖地牙哥分校開創性的低溫顯微鏡研究，是聖地牙哥加州大學聖地牙哥分校的可持續能源與能源中心以及材料發現與設計研究所的所長。
如玻璃似透亮的驚喜
以前從未觀察到純的非晶態元素金屬，它們極難生產，因此通常需要金屬混合物（合金）以實現「玻璃狀」結構，從而賦予材料強大的性能。
在充電過程中，玻璃狀鋰胚在整個生長過程中更有可能保持非晶態。在研究哪種條件有利於玻璃狀成核時，研究團隊再次感到驚訝。
帕瓦爾說，「我們可以在非常溫和的條件下以非常慢的充電速率製造非晶態金屬，」 「這實在是很令人驚訝。」
這樣的結果是違反直覺的，因為過去專家普遍認為緩慢的沉積速率將使原子能夠找到有序的結晶鋰。然而，建模工作解釋了反應動力學如何驅動玻璃狀形成。該團隊通過創造出玻璃狀的四種反應性金屬來證實這些發現，這些反應性金屬對電池應用具有相當前景。
該研究結果將幫助實現Battery500聯盟的目標，Battery500聯盟，英語：Battery500 consortium，是由美國能源部資助的一項研究計劃。該聯盟旨在開發商業上可行的電動汽車電池，其電池級比能為500 Wh/kg。另外，這種新的認知可能會導致更有效的金屬催化劑、更堅固的金屬塗層以及可從玻璃態金屬中受益的其他許多應用。
參考：Xuefeng Wang et al. Glassy Li metal anode for high-performance rechargeable Li batteries, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0729-1量子認知 | 簡介科技新知識，敬請熱心來關注。