Mokslininkai atrado dažnų ličio jonų baterijų sprogimų priežastį!

Sparčiai tobulėjant nešiojamiesiems elektroniniams prietaisams ir elektromobiliams, žmonės ne tik siekia didesnės talpos ir greitesnio ličio akumuliatorių įkrovimo bei iškrovimo greičio, bet ir labiau susirūpinę, kaip užtikrinti ličio baterijų naudojimo saugumą. Dėl retkarčiais pasitaikančių incidentų, pavyzdžiui, ličio baterijų sprogimų, nervai neišvengiamai įtempti. Būtina sąlyga sprendžiant ličio baterijų saugos klausimus – mokslininkai turi nuodugniai ir visapusiškai suprasti ličio baterijų sprogimo priežastis.

Dabartinis mokslinis paaiškinimas yra tas, kad ličio nusėdimas ant elektrodo paviršiaus sudarys dendritus, kurie toliau augs, sukeldami vidinius trumpuosius jungimus baterijoje, dėl kurių gali sugesti akumuliatorius arba gali kilti gaisro pavojus. Tačiau anksčiau trūko veiksmingų techninių priemonių suprasti ir ištirti atominės struktūros perspektyvą, o tada rasti problemų sprendimus.
Cryo EM technologija, kuri šį mėnesį laimėjo 2017 m. Nobelio chemijos premiją, suteikia tvirtą techninę paramą. Tyrimų grupė, vadovaujama profesoriaus Cui Yi iš Stanfordo universiteto ir SLAC nacionalinės greitintuvų laboratorijos, tiesiogiai pavaldžios JAV Energetikos departamentui, taip pat Nobelio premijos laureatas Stevenas Chu 1997 m., naudojant krioelektroninę mikroskopiją, užfiksavo pirmąjį atominio lygio ličio metalo dendritų vaizdą ( krio EM). Tyrimo rezultatai buvo paskelbti tarptautiniame akademiniame žurnale Science spalio 27 d. vietos laiku.
Kiekvienas ličio metalo dendritas yra ilgas, tobulai suformuotas šešiakampis kristalas. Anksčiau elektroniniu mikroskopu buvo stebimi tik netaisyklingos formos kristalai. Cui Yi sakė: "Tyrimų rezultatai yra labai jaudinantys ir atvėrė naują susijusių tyrimų erą!"

Krioelektroninis mikroskopas, kaip rodo pavadinimas, yra mikroskopinė technika, kuri naudoja kriofiksaciją, kad būtų galima stebėti mėginius žemoje temperatūroje naudojant perdavimo elektroninį mikroskopą (TEM). Krioelektroninė mikroskopija yra svarbus struktūrinės biologijos tyrimo metodas ir itin svarbi priemonė biomolekulių struktūrai gauti.

Kadangi vaizdai yra raktas į mechanizmų supratimą, moksliniai laimėjimai dažnai remiasi plika akimi, kad būtų galima sėkmingai gauti vizualinį taikinio vaizdą. Ilgą laiką buvo manoma, kad TEM netinka biomolekulėms stebėti, nes galingi elektronų pluoštai gali pažeisti biologines medžiagas. Tačiau krioelektroninės mikroskopijos atsiradimas leido tyrėjams „užšaldyti“ biomolekules ir stebėti bei analizuoti jų judėjimo procesus kaip neregėtai. Šios charakteristikos turi lemiamos įtakos biochemijos supratimui ir farmakologijos raidai. Todėl krioelektroninė mikroskopija taip pat bus įtraukta į šių metų Nobelio chemijos premiją.
Medžiagoms, tokioms kaip ličio, taip pat neįmanoma naudoti projekcinio elektroninio mikroskopo, kad būtų galima peržiūrėti rezultatus atominiame dendritų lygyje. Panašiai kaip ir biomedžiagas, naudojant TEM kambario temperatūroje, dendritų kraštai susiraitys arba net išsilydys dėl elektronų pluošto poveikio. Yanbin Li, doktorantas iš Stanfordo universiteto, dalyvavęs šiame darbe, sakė: "Perdavimo elektronų mikroskopijos mėginiai ruošiami ore, tačiau ličio metalas greitai korozijos ore". „Kai mes bandome stebėti ličio metalą po didelės galios elektronų mikroskopu, elektronai „išgręžia skyles“ dendrituose ir netgi visiškai jį ištirpdys.
Šiame tyrime dalyvavęs Stanfordo universiteto doktorantas Yanbinas Li sakė: "Tai tarsi didinamuoju stiklu apšviesti lapą saulės šviesoje. Tačiau jei galėsite lapą atvėsinti, ši problema bus lengvai išspręsta: jei sufokusuosite šviesą ant lapo taip pat bus prarasta šiluma, o lapas nebus pažeistas, tai mes galime pasiekti krioelektroniniu mikroskopu, o vaizdo skirtumas naudojant akumuliatoriaus medžiagas yra labai akivaizdus.

Taigi krioelektroninė mikroskopija ne tik pradėjo naują biochemijos erą, bet ir leido mokslininkams pirmą kartą pamatyti visą ličio dendritų struktūrą atominiame lygmenyje. Tyrėjai taip pat nustatė, kad dendritai karbonato pagrindu pagamintuose elektrolituose auga tam tikra kryptimi į monokristalinius nanolaidelius. Kai kurie iš jų augimo proceso metu gali susitraukti, tačiau jų kristalinė struktūra išlieka nepakitusi.

Yuzhangli, kitas šiame tyrime dalyvavęs Stanfordo universiteto doktorantas, teigė, kad taip pat galima pamatyti kieto elektrolito sąsajos veido kaukę (SEI), taip pat atskleidė skirtingas SEI nanostruktūras, susidariusias skirtinguose elektrolituose. Kadangi ta pati danga susidaro ir ant metalinio elektrodo, kai akumuliatorius kraunamas ir iškraunamas, norint efektyviai panaudoti akumuliatorių, labai svarbu kontroliuoti jos generavimą ir stabilumą.
Naudodami krio EM, mokslininkai gali stebėti, kaip elektronai išsiskiria iš atomų dendrituose, taip atskleisdami atskirų atomų padėtį. Mokslininkai netgi gali išmatuoti atstumą tarp atomų, o atstumas tarp atomų tiksliai rodo, kad jie yra ličio atomai.
SLAC išplatintame pranešime spaudai matyti, kad po mikroskopu mokslininkai naudoja skirtingus metodus, kad stebėtų, kaip iš dendrito atomų išmetami elektronai, atskleidžiant vieno atomo padėtį kristalo veido kaukės dangoje ir jo kieto elektrolito sąsajoje. . Pridėjus chemikalų, dažniausiai naudojamų akumuliatoriaus veikimui pagerinti, kieto elektrolito sąsajos veido kaukės dangos atominė struktūra tampa tvarkingesnė, o tai padės paaiškinti, kodėl priedai atlieka svarbų vaidmenį.
"Mes labai džiaugiamės. Tai pirmas kartas, kai galime gauti tokį išsamų dendritų vaizdą, taip pat pirmą kartą galime pamatyti kieto elektrolito sąsajos veido kaukės sluoksnio nanostruktūrą." YanbinLi sakė: "Ši priemonė gali padėti mums suprasti skirtingų elektrolitų vaidmenį ir kodėl kai kurie elektrolitai turi geresnį poveikį nei kiti."
Atitinkami šių eksperimentų duomenys gali padėti geriau suprasti akumuliatoriaus gedimo mechanizmus. Nors šiame darbe naudojamas ličio metalas kaip pavyzdys krio EM praktiškumui parodyti, šis metodas taip pat gali būti taikomas kitiems tyrimams, susijusiems su pluoštui jautriomis medžiagomis, tokiomis kaip ličio silicis ar siera. Mokslininkų komanda taip pat teigė, kad planuoja daugiau dėmesio skirti kieto elektrolito veido kaukės sluoksnio cheminių savybių ir struktūros supratimui.