ТЕМЫ:Аккумуляторная технологиялитий-ионныйКалифорнийский университет в Лос-Анджелесе
Фундаментальное открытие и новая технология могут привести к созданию более качественных и безопасных перезаряжаемых батарей.
Калифорнийский университет в Лос-Анджелесеисследователи сделали новаторское открытие, которое может повысить безопасность и эффективность литий-металлических батарей.Предотвращая коррозию во время осаждения лития, исследователи обнаружили, что атомы лития образуют уникальную 12-гранную форму, что снижает риск взрыва.Эта инновация потенциально может произвести революцию в технологии литиевых батарей, что приведет к повышению безопасности и производительности.
Перезаряжаемые литий-ионные батареи питают смартфоны, электромобили и хранилища солнечной и ветровой энергии, а также другие технологии.
Они произошли от другой технологии, литий-металлической батареи, которая не была разработана или принята так широко.Для этого есть причина: хотя литий-металлические батареи могут удерживать примерно вдвое больше энергии, чем литий-ионные, они также представляют гораздо больший риск возгорания или даже взрыва.
Революционные исследования литий-металлических аккумуляторов
Теперь исследование, проведенное членами Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, показывает фундаментальное открытие, которое может привести к более безопасным литий-металлическим батареям, которые превосходят современные литий-ионные батареи.Исследование было опубликовано 2 августа в журналеПрирода.
Металлический литий так легко вступает в реакцию с химическими веществами, что при нормальных условиях коррозия возникает почти сразу, когда металл ложится на поверхность, такую как электрод.Но исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали метод, который предотвращает эту коррозию, и показали, что в его отсутствие атомы лития собираются в удивительную форму — ромбический додекаэдр, 12-гранную фигуру, похожую на игральные кости, используемые в ролевых играх, таких как Dungeons and Dragons. .
Понимание структурных аспектов литий-металлических батарей
«Есть тысячи статей о металлическом литии, и большинство описаний структуры носит качественный характер, например, «коренастый» или «столбчатый», — сказал Юйчжан Ли, автор исследования, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Инженерная школа Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и член CNSI.«Для нас было неожиданностью обнаружить, что, когда мы предотвратили поверхностную коррозию, вместо этих нечетких форм мы увидели особый многогранник, который соответствует теоретическим предсказаниям, основанным на кристаллической структуре металла.В конечном счете, это исследование позволяет нам пересмотреть наше понимание литий-металлических аккумуляторов».
Сравнение литий-ионных и литий-металлических аккумуляторов
В крошечных масштабах литий-ионный аккумулятор хранит положительно заряженные атомы лития в клеточной структуре углерода, которая покрывает электрод.Напротив, литий-металлическая батарея вместо этого покрывает электрод металлическим литием.Это в 10 раз больше лития в том же пространстве по сравнению с литий-ионными батареями, что объясняет увеличение как производительности, так и опасности.
Процесс нанесения литиевого покрытия основан на методе, которому более 200 лет, в котором используется электричество и растворы солей, называемые электролитами.Часто литий образует микроскопические ветвящиеся нити с выступающими шипами.В батарее, если два из этих шипов перекрещиваются, это может вызвать короткое замыкание, которое может привести к взрыву.
Последствия открытия для безопасности и производительности аккумуляторов
Открытие истинной формы лития — то есть отсутствия коррозии — предполагает, что риск взрыва литий-металлических батарей можно снизить, потому что атомы накапливаются в упорядоченной форме, а не в форме, которая может пересекаться.Открытие также может иметь существенные последствия для высокопроизводительных энергетических технологий.
«Ученые и инженеры провели более двух десятилетий исследований по синтезу металлов, включая золото, платину и серебро, в такие формы, как нанокубы, наносферы и наностержни», — сказал Ли.«Теперь, когда мы знаем форму лития, возникает вопрос: можем ли мы настроить его так, чтобы он образовывал кубы, которые можно было бы плотно упаковать, чтобы повысить как безопасность, так и производительность батарей?»
Переосмысление процесса осаждения лития
До сих пор преобладало мнение, что выбор электролитов в растворе определяет форму, которую литий образует на поверхности — напоминает ли структура куски или столбцы.У исследователей Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе была другая идея.
«Мы хотели посмотреть, сможем ли мы осаждать литий так быстро, чтобы опередить реакцию, вызывающую коррозионную пленку», — сказал докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Синтонг Юань, первый автор исследования.«Таким образом, мы потенциально могли бы увидеть, как литий хочет расти в отсутствие этой пленки».
Усовершенствование метода осаждения лития
Исследователи разработали новую технику осаждения лития быстрее, чем образуется коррозия.Они пропускали ток через гораздо меньший электрод, чтобы быстрее выталкивать электричество — так же, как частичное перекрытие насадки садового шланга заставляет воду выбрасываться с большей силой.
Однако требовался баланс, потому что слишком сильное ускорение процесса привело бы к тем же остроконечным структурам, которые вызывают короткие замыкания;команда решила эту проблему, изменив форму своего крошечного электрода.
Они наносили литий на поверхности с использованием четырех разных электролитов, сравнивая результаты стандартной техники и своего нового метода.При коррозии литий сформировал четыре отчетливые микроскопические формы.Однако с их безкоррозионным процессом они обнаружили, что литий образует крохотные додекаэдры — не более 2 миллионных долей метра, или примерно среднюю длину одной бактерии — во всех четырех случаях.
Раскрытие формы лития с помощью крио-ЭМ
Исследователи смогли увидеть форму лития благодаря методу визуализации, называемому криоэлектронной микроскопией или крио-ЭМ, который пропускает электроны через замороженные образцы, чтобы показать детали вплоть до атомного уровня, предотвращая повреждение образцов.
Крио-ЭМ стала повсеместной в биологических науках для определения структуры белков и вирусов.Использование в материаловедении растет, и у исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе было два ключевых преимущества.
Во-первых, когда Ли был аспирантом, он продемонстрировал, что крио-ЭМ можно использовать для анализа лития, который распадается на куски под воздействием электронного луча при комнатной температуре.(Его исследование было опубликовано в 2017 году в журнале Science.) Во-вторых, команда провела эксперименты в Центре электронной визуализации CNSI для наномашин, где находится несколько крио-ЭМ-приборов, которые были настроены для работы с типами образцов, используемых в исследованиях материалов. .