新しい研究では、バッテリーの充電操作中に電極（黄色）に堆積するナノ構造のリチウム原子（青色）の進化について説明しています。アイダホ国立研究所の画像提供

カリフォルニア大学サンディエゴ校と協力しているアイダホ国立研究所の研究者は、充電動作の改善を示しました。調査結果は、再充電を強化し、バッテリーの寿命を延ばす戦略を示唆しています。ガラス状金属を作るための説得力のある研究：

結晶性リチウムと比較して、ガラス状リチウムは電気化学的可逆性において優れており、高エネルギー二次電池にとって望ましい構造であると著者らは書いています。」

Nature Materials に掲載された研究 Wang、X.、Pawar、G.、Li、Y。 etal。 高性能充電式リチウム電池用のガラス状リチウム金属アノード。 Nat。メーター。 （2020）。 https://doi.org/10.1038/s41563-020-0729-1

ここでは、極低温透過型電子顕微鏡を使用して、核形成および成長プロセスのさまざまな過渡状態でのLi金属堆積物の進化するナノ構造を明らかにしました。この場合、電流密度と堆積時間の関数として無秩序秩序相転移が観察されました。 。広い空間的および時間的スケールにわたる原子相互作用は、反応速度論の理解を支援するための反応性分子動力学シミュレーションによって描かれました。結晶性Liと比較して、ガラス状Liは電気化学的可逆性に優れており、高エネルギーの充電式Li電池に適した構造を備えています。

私たちの調査結果は、核の結晶化度をナノ構造および形態のその後の成長と相関させ、充電式Li電池で高性能を達成するためにLi金属のメソ構造を制御および成形する戦略を提供します。

-王他

全文：

電池の性能を改善するためのクエストは、希少なガラス金属の発見につながります

元々はアイダホ国立研究所によって発行されました

バッテリーの再充電の最初の数瞬間を精査している材料科学者は、驚くべき実体に遭遇しました。彼らの発見は、期待、論理、経験に逆らいました。さらに重要なことに、それはより良い電池、より速い触媒、その他の材料科学の飛躍への扉を開くかもしれません。

アイダホ国立研究所とカリフォルニア大学サンディエゴ校の科学者は、原子レベルでのリチウム再充電の初期段階を調査しました。驚いたことに、彼らは、ゆっくりとした低エネルギーの充電により、リチウム原子が無秩序に電極に堆積し、充電動作が改善されることを学びました。この非結晶性の「ガラス状」リチウムはこれまで観察されたことがなく、そのようなアモルファス金属を作成することは伝統的に非常に困難でした。

調査結果は、バッテリーの寿命を延ばすための再充電アプローチを微調整するための戦略と、興味深いことに、他のアプリケーション用のガラス状金属を作るための戦略を示唆しています。この調査は今週、オンラインで Nature Materials に掲載されました。 。

既知の充電、未知の充電

リチウム金属は、軽量でありながら多くのエネルギーを蓄える必要がある高エネルギー二次電池の理想的なアノードと見なされています。このような電池を充電するには、リチウム原子をアノード表面に堆積させる必要があります。これは、原子レベルではよく理解されていないプロセスです。

科学者は、リチウム金属アノードが不規則に再充電される可能性があり、その結果、多くの再充電サイクルに耐えることができないことを知っています。リチウム原子がアノードに堆積する方法は、再充電サイクルごとに異なる可能性があります。これは、核形成と呼ばれるプロセスである、最初の数個の原子の最も早い集合体の影響を受ける可能性があります。

「その初期の核形成は、バッテリーの性能、安全性、信頼性に影響を与える可能性があります」と、INLのスタッフ科学者で論文の2人の筆頭著者の1人であるGorakhPawarは述べています。 「特に核形成の非常に初期の段階で、リチウム沈着の根本的なメカニズムを理解することが重要です」と彼らは書いています。

リチウム胚のフォームを見る

研究者たちは、再充電中にリチウム原子が最初にどのように結合するかを発見するために、強力な電子顕微鏡からの画像と分析を液体窒素冷却とコンピューターモデリングと組み合わせました。先駆的な低温状態の電子顕微鏡アプローチにより、彼らはリチウム金属の「胚」の生成を見ることができ、コンピューターシミュレーションは彼らが見たものを説明するのに役立ちました。

リチウムは、他の金属と同様に、通常、構造化された結晶相で存在します。結晶はさまざまな形で成長する可能性があるため、このような「粒子の粗い」リチウムは、一貫性のない再充電や短絡につながる可能性があるとパワー氏は述べています。ある再充電サイクルから別の再充電サイクルへの一貫性のないリチウム成長の進行は、不規則な形状（別名デンドライト）をもたらし、バッテリーの寿命を縮める可能性があります。

研究チームが最初の核形成プロセスを理解しようとしたとき、特定の条件によって、結晶性（ダイヤモンドのような）ではなくアモルファス（ガラスのような）のリチウムの構造化されていない形態が作成されたことを知って驚いた。

「材料科学の新しい現象を発見する極低温イメージングの力は、この研究で紹介されています」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の先駆的な低温顕微鏡研究を率いたシャーリー・メンは述べています。彼女は、得られたイメージングと分光データはしばしば複雑で複雑であると述べ、「計算モデリングが複雑さを解読するのに役立ったので、実験データを自信を持って解釈することを可能にしたのは真のチームワークです。」

ガラスのサプライズ

結晶性リチウムと比較して、ガラス状リチウムは電気化学的可逆性において優れており、高エネルギー二次電池にとって望ましい構造です」と著者は書いています。純粋なアモルファス元素金属はこれまで観察されたことがなかったため、この発見は衝撃的でした。それらを製造することは非常に困難であり、強力な材料特性を与える「ガラス状」の構成で観察された金属混合物（合金）はごくわずかです。

さらに、チームは、ガラス状のリチウム胚が成長中にアモルファス構造を保持する可能性が高いことを学びました。研究者たちは、どのような条件がガラス状の核形成に有利であるかを理解するために働いたとき、彼らは再びショックを受けました。

「非常に遅い充電速度で、非常に穏やかな条件でアモルファス金属を作ることができます」と、INL総局のフェローでINLのリーダーであるBoryannLiaw氏は述べています。 「それは非常に驚くべきことです。」

堆積速度が遅いと、原子が規則正しい配列（粒子の粗いリチウム）に入ることができると考えられていたため、この結果は直感に反していました。そのような条件下でガラス状リチウムを見つけることは考えられないと考えられていた、とLiawは言った。モデリング作業では、反応速度論が結晶化と競合してガラス状の形成を促進する方法を説明しました。チームは、バッテリー用途に魅力的な4つの反応性金属のガラス状の形態を作成することにより、これらの発見を確認しました。

次は何ですか？

この研究は、高エネルギー電池の再充電中にガラス状のリチウム堆積物をよりよく達成する方法を示唆しています。この結果を適用すると、研究に資金を提供したエネルギー省のイニシアチブであるBattery500コンソーシアムの目標を達成するのに役立つ可能性があります。このコンソーシアムは、セルレベルの比エネルギーが500 Wh / kgの商業的に実行可能な電気自動車用バッテリーの開発を目指しています。

「真のイノベーションは、あらゆる材料やプロセスの非常に基本的な科学的理解から生まれる必要があります」とLiaw氏は述べています。さらに、この新しい理解は、より効果的な金属触媒、より強力な金属コーティング、およびガラス状金属の恩恵を受ける可能性のあるその他の用途につながる可能性があります。

.Li金属の結晶化度と性能（左）とより良い性能を達成するための戦略（右）との相関関係。性能（左）は、高いクーロン効率（CE）、長いサイクル寿命、低い体積変化、Liデンドライトの欠如など、Li金属電池のアノードとしてのLi金属の電気化学的性能として指定されています。構造的接続は、電荷移動およびイオン輸送のための電子的およびイオン的経路を維持する能力と呼ばれます。不十分な構造的接続は、失われた電気化学的活性を促進し、「死んだ」Liを形成します。電気化学的可逆性は、100％に近いはずのメッキされたLiによるストリッピングされたLiの含有率によって測定されます。理想的な堆積密度は、Li金属の理論密度（0.534 g cm–3）と一致している必要があります。 3D基板の使用、電流密度の変更、中間相のエンジニアリング、電解質の設計などの提案された戦略は、核形成および成長中のEDLiのエネルギー移動と物質移動を変更し、EDLiの結晶化度を変化させることができます。 Wang etal。