A tudósok felfedezték a lítium-ion akkumulátorok gyakori robbanásának okát!

A hordozható elektronikai eszközök és az elektromos járművek gyors fejlődésével az emberek nem csak a nagyobb kapacitásra, valamint a lítium akkumulátorok gyorsabb töltési és kisütési sebességére törekednek, hanem jobban aggódnak a lítium akkumulátorok biztonságos használatának biztosítására is. Az időnkénti események, például a lítiumelemek felrobbanása miatt az ember idegei elkerülhetetlenül megfeszülnek. A lítium akkumulátorok biztonsági problémáinak megoldásának előfeltétele, hogy a tudósok alapos és átfogó ismeretekkel rendelkezzenek a lítium akkumulátorok robbanásának okairól.

A jelenlegi tudományos magyarázat az, hogy az elektródák felületén a lítium lerakódása dendriteket képez, amelyek tovább növekednek, belső rövidzárlatokat okozva az akkumulátorban, ami az akkumulátor meghibásodásához vagy potenciális tűzveszélyhez vezet. A múltban azonban hiányoztak a hatékony technikai eszközök az atomi szerkezet megértéséhez és tanulmányozásához, majd a problémák megoldásához.
Ehhez erős technikai támogatást nyújt a cryo EM technológia, amely ebben a hónapban elnyerte a 2017-es kémiai Nobel-díjat. A Cui Yi professzor, a Stanford Egyetem és a közvetlenül az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma alá tartozó SLAC National Accelerator Laboratory, valamint az 1997-ben Nobel-díjas Steven Chu által vezetett kutatócsoport krioelektronmikroszkóppal készítette el az első felvételt atomi szintű lítium-fém dendritekről. cryo EM). A kutatási eredményeket a Science nemzetközi tudományos folyóiratban tették közzé helyi idő szerint október 27-én.
Mindegyik lítium-fém dendrit egy hosszú, tökéletesen kialakított hatszögletű kristály. Korábban csak szabálytalan alakú kristályokat figyeltek meg elektronmikroszkóppal. Cui Yi elmondta: "A kutatási eredmények nagyon izgalmasak, és új korszakot nyitottak a kapcsolódó kutatások számára!"

A krioelektronmikroszkóp, amint azt a neve is sugallja, egy mikroszkópos technika, amely kriofixációt használ a minták alacsony hőmérsékleten történő megfigyelésére transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) segítségével. A krioelektronmikroszkópia fontos szerkezetbiológiai kutatási módszer, és döntő eszköz a biomolekulák szerkezetének meghatározásában.

Mivel a képek a kulcsa a mechanizmusok megértésének, a tudományos áttörések gyakran szabad szemmel támaszkodnak a célpont vizuális képének sikeres megszerzésére. Sokáig azt hitték, hogy a TEM nem alkalmas biomolekulák megfigyelésére, mert az erős elektronsugarak károsíthatják a biológiai anyagokat. A krioelektron-mikroszkópia megjelenése azonban lehetővé tette a kutatóknak, hogy „lefagyaszthassák” a biomolekulákat, és példátlan módon megfigyelhessék és elemezzék mozgási folyamataikat. Ezek a jellemzések döntő hatással vannak a biokémia megértésére és a farmakológia fejlődésére. Ezért a krioelektronmikroszkópia is bekerül az idei kémiai Nobel-díjba.
Az olyan anyagok esetében, mint a lítium, szintén nem lehet projekciós elektronmikroszkópot használni a dendritek atomi szintjén történő eredmények megtekintéséhez. A bioanyagokhoz hasonlóan a TEM szobahőmérsékleten történő használatakor a dendritek szélei felkunkorodnak vagy megolvadnak az elektronsugár becsapódása miatt. Yanbin Li, a Stanford Egyetem doktorandusza, aki részt vett ebben a munkában, azt mondta: "A transzmissziós elektronmikroszkópos minták előkészítése levegőben történik, de a lítium fém gyorsan korrodálódik a levegőben." "Amikor megpróbáljuk megfigyelni a fém lítiumát nagy teljesítményű elektronmikroszkóp alatt, az elektronok "lyukakat fúrnak" a dendritekbe, sőt teljesen megolvasztják azokat."
Yanbin Li, a Stanford Egyetem PhD-hallgatója, aki részt vett ebben a tanulmányban, azt mondta: "Olyan ez, mintha napfényben nagyítóval világítanánk egy levélre. Ha azonban le tudod hűteni a levelet, ez a probléma könnyen megoldható: ha fókuszálod a fényt. a levélen a hő is elvész, és a levél sem sérül meg ezt érhetjük el krioelektronmikroszkóppal, és nagyon szembetűnő a különbség a képalkotásban az akkumulátoros anyagok használatakor."

Tehát a krioelektronmikroszkópos vizsgálat nemcsak egy új korszakot nyitott meg a biokémiában, hanem lehetővé tette a tudósok számára, hogy először lássák atomi szinten a lítium-dendritek teljes szerkezetét. A kutatók azt is megállapították, hogy a karbonát alapú elektrolitokban lévő dendritek meghatározott irányban egykristály nanoszálakká nőnek. Némelyikük csomósodást tapasztalhat a növekedési folyamat során, de kristályszerkezetük érintetlen marad.

Yuzhangli, a Stanford Egyetem másik doktorandusza, aki részt vett ebben a kutatásban, azt mondta, hogy a szilárd elektrolit interfész arcmaszk (SEI) is látható, és feltárta a különböző elektrolitokban kialakuló különböző SEI nanostruktúrákat is. Mivel ugyanaz a bevonat képződik a fémelektródán az akkumulátor töltése és lemerülése során is, a keletkezésének és stabilitásának ellenőrzése döntő fontosságú az akkumulátor hatékony kihasználása szempontjából.
A krio-EM használatával a tudósok megfigyelhetik, hogyan lökódnak ki az elektronok a dendritekben lévő atomokból, ezáltal felfedve az egyes atomok helyzetét. A tudósok még az atomok közötti távolságot is meg tudják mérni, és az atomtávolság pontosan jelzi, hogy lítiumatomokról van szó.
A SLAC által kiadott sajtóközlemény azt mutatja, hogy a mikroszkóp alatt a kutatók különböző technikák segítségével figyelik meg, hogyan lökődnek ki az elektronok a dendrit atomjaiból, felfedve egyetlen atom helyzetét a kristály arcmaszk bevonatában és szilárd elektrolit határfelületén. . Amikor az akkumulátor teljesítményének javítására általánosan használt vegyszereket adnak hozzá, a szilárd elektrolit interfész arcmaszk bevonatának atomszerkezete rendezettebbé válik, ami segít megmagyarázni, miért játszanak szerepet az adalékanyagok.
"Nagyon izgatottak vagyunk. Ez az első alkalom, hogy ilyen részletes képet kaphatunk a dendritekről, és ez az első alkalom, hogy a szilárd elektrolit interfész arcmaszk réteg nanoszerkezetét láthatjuk." YanbinLi azt mondta: "Ez az eszköz segíthet megérteni a különböző elektrolitok szerepét, és azt, hogy egyes elektrolitok miért jobbak, mint mások."
Az ezekből a kísérletekből megfigyelt releváns adatok további megértést nyújthatnak az akkumulátor meghibásodási mechanizmusairól. Bár ez a munka lítium fémet használ példaként a krio EM gyakorlatiságának bemutatására, ez a módszer kiterjeszthető más, nyalábra érzékeny anyagokat, például lítium-szilíciumot vagy ként érintő vizsgálatokra is. A kutatócsoport azt is elmondta, hogy a szilárd elektrolit arcmaszkréteg kémiai tulajdonságainak és szerkezetének jobb megértésére összpontosítanak.