ТЕМЫ:Технология аккумуляторовЛитий-ионныйUCLA
Фундаментальное открытие и новая технология могут привести к созданию более качественных и безопасных перезаряжаемых батарей.
Калифорнийский университет в Лос-Анджелесеисследователи сделали революционное открытие, которое может повысить безопасность и эффективность литий-металлических батарей. Предотвратив коррозию во время осаждения лития, исследователи обнаружили, что атомы лития образуют уникальную 12-гранную форму, что снижает риск взрывов. Это нововведение потенциально может произвести революцию в технологии литиевых батарей, что приведет к повышению безопасности и производительности.
Литий-ионные аккумуляторы питают смартфоны, электромобили, а также позволяют хранить солнечную и ветровую энергию, а также использовать другие технологии.
Они произошли от другой технологии — литий-металлической батареи, которая не получила широкого развития и не получила широкого распространения. Для этого есть причина: хотя литий-металлические батареи способны удерживать примерно вдвое больше энергии, чем литий-ионные, они также представляют гораздо больший риск возгорания или даже взрыва.
Революционные исследования литий-металлических батарей
Теперь исследование, проведенное членами Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, выявило фундаментальное открытие, которое может привести к созданию более безопасных литий-металлических батарей, которые превосходят сегодняшние литий-ионные батареи. Исследование было опубликовано 2 августа в журналеПрирода.
Металлический литий настолько легко реагирует с химическими веществами, что в нормальных условиях коррозия образуется почти сразу же, когда металл укладывается на поверхность, например, на электрод. Но исследователи из 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 «Подземелья и драконы».
Понимание структурных аспектов литий-металлических батарей
«Существуют тысячи статей о металлическом литии, и большинство описаний структуры носят качественный характер, например, «коренастый» или «столбчатый», — сказал Юйчжан Ли, автор исследования, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и член CNSI. "Для нас было удивительно 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 итоге это исследование позволяет нам пересмотреть то, как мы понимаем литий-металлические батареи".
Противопоставление литий-ионных и литий-металлических аккумуляторов
В крошечных масштабах литий-ионная батарея хранит положительно заряженные атомы лития в клеточной структуре углерода, покрывающей электрод. Напротив, литий-металлическая батарея вместо этого покрывает электрод металлическим литием. Это позволяет разместить в том же пространстве в 10 раз больше лития по сравнению с литий-ионными батареями, что приводит к увеличению как производительности, так и опасности.
Процесс нанесения литиевого покрытия основан на технологии, которой более 200 лет, в которой 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.
Влияние открытия на безопасность и производительность аккумуляторов
Обнаружение истинной формы лития, то есть отсутствия коррозии, предполагает, что риск взрыва литий-металлических батарей можно снизить, поскольку атомы накапливаются в упорядоченной форме, а не в форме, которая может перекрещиваться. Это открытие также может иметь существенное значение для высокоэффективных 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 кубики, которые можно было бы плотно упаковать, чтобы повысить как безопасность, так и производительность батарей?»
Новый взгляд на процесс осаждения лития
До сих пор преобладала точка зрения, что выбор электролитов в растворе определяет форму, которую литий образует на поверхности — напоминает ли структура куски или столбцы. У исследователей из 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 аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Синьтун Юань, первый автор исследования. «Таким образом, мы потенциально сможем увидеть, как литий будет расти в отсутствие этой пленки».
Совершенствование технологии осаждения лития
Исследователи разработали новую методику осаждения лития быстрее, чем образуется коррозия. Они пропустили ток через гораздо меньший по размеру электрод, чтобы быстрее выдавать электричество — примерно так же, как частичная блокировка насадки садового шланга заставляет воду выбрасываться с большей силой.
Однако требовался баланс, поскольку слишком сильное ускорение процесса привело бы к образованию тех же остроконечных структур, которые вызывают короткие замыкания; команда решила эту проблему, изменив форму своего крошечного электрода.
Они нанесли литий на поверхности, используя четыре разных электролита, сравнивая результаты стандартного метода и нового метода. В результате коррозии литий образовал четыре различные микроскопические формы. Однако с помощью процесса, не требующего коррозии, они обнаружили, что во всех четырех случаях литий образовывал крохотные додекаэдры — не более 2 миллионных метра, или примерно среднюю длину одной бактерии.
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 при этом повреждение образцов.
Крио-ЭМ стала повсеместно использоваться в биологических науках для определения структуры белков и вирусов. Использование материалов в науке 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 наномашин CNSI, где находится несколько крио-ЭМ-инструментов, настроенных для работы с типами образцов, используемых в исследовании материалов.