Электрохимическое осаждение помогло получить стеклообразный литий

Американские ученые исследовали кинетические процессы при электрохимическом осаждении лития на наноуровне, пропуская токи плотностью 0,1-2,5 миллиампер на квадратный сантиметр на протяжении времени от 5 до 20 минут, и обнаружили в материале аморфную фазу. Анод из аморфного лития в перезаряжаемых аккумуляторах более предпочтителен, чем кристаллический так как в нем не образуется дендритов, а массоперенос происходит быстрее. Предложенный метод получения стеклообразных металлов также может пригодиться в других областях технологии, таких как биомедицина и микроэлектромеханические системы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

Литий на сегодняшний день — один из лучших анодных материалов в перезаряжаемых аккумуляторах. Структура и электрические свойства металла в аккумуляторах сильно зависят от электрохимических процессов, поэтому изучение кинетики фазового перехода лития важно для нахождения способов лучшего контроля этих процессов. Чтобы увидеть наноструктуры лития и различия в их кристалличности на нано- или атомарном уровне, используют криогенный просвечивающий электронный микроскоп. Метод позволяет визуализировать изменение структуры вещества в реальном времени, минимизируя влияние проходящего пучка.

Сюэфэн Ван (Xuefeng Wang) с коллегами из Калифорнийского университета в Сан Диего использовали этот вид микроскопии, чтобы изучить кинетические процессы на границе литиевого электрода с электролитом при электрохимическом осаждении металла и обнаружили аморфную фазу. Авторы исследовали зависимости перехода из неупорядоченной в упорядоченную фазы от плотности тока и времени осаждения. На протяжении 5-20 минут химики пропускали ток плотностью всего 0,1-2,5 миллиампер на квадратный сантиметр и изучали получаемые структуры.

При пропускании в течение пяти минут тока плотностью 0,5 миллиампер на квадратный сантиметр образовывались частицы лития около 200 нанометров в диаметре и более микрона в длину. У частиц не оказалось определенной кристаллической структуры, что свидетельствует о том, что они либо аморфные, либо стеклообразные. Увеличивая время пропускания электричества или плотности тока, авторы заметили повышение кристалличности лития. По достижении критического размера кластеров из агрегированных атомов, они упорядочивались, что приводило к образованию и росту кристаллов.

Расчетные молекулярно-динамические модели подтвердили предположения авторов: при повышении плотности тока атомы лития пропорционально упорядочиваются и кристаллы растут. Микроструктура изменялась от состояния сферических стеклообразных наноструктур до микроструктур из кристаллических наноразмерных пластин и стержней в микропористой системе стеклообразных наноструктур.

Стеклообразная структура без упорядочения атомов, границ между зернами и дефектов кристаллов имеет ряд преимуществ для использования в качестве анодного материала. В ней не образуется вытянутых дендритов, которые часто приводят литий-ионные аккумуляторы в негодность, а происходит многомерный рост крупных зерен. Как следствие, от аккумуляторов со стеклообразным литием ожидается высокая электрохимическая обратимость.

Методом электрохимического осаждения авторы также получили стеклообразные натрий, калий, магний и цинк. Их свойства и структуру исследователи могли контролировать, меняя время протекания тока и его плотность. По словам авторов, эти аморфные активные металлы найдут применение в других областях помимо хранения электроэнергии, например, в биомедицине, нанотехнологиях и микроэлектромеханических системах.

Неупорядоченность атомов в металле может обеспечить ему одновременно ковкость и термостойкость. На прошлой неделе китайские ученые сообщили о создании сплава со сверхрешеточной структурой, способный выдерживать нагрузки до 1,6 гигапаскалей и растягиваться на 25 процентов.

От структуры кристаллической решетки материала также зависят свойства носителей заряда в нем. Японские ученые обнаружили эту зависимость, изучая процессы, которые происходят при стекловании органического материала.

Алина Кротова