Вчені з'ясували причину частих вибухів літій-іонних батарей!

Зі стрімким розвитком портативних електронних пристроїв і електромобілів люди не тільки прагнуть до більшої ємності та швидшої швидкості заряджання та розряджання літієвих батарей, але також більше стурбовані тим, як забезпечити безпеку використання літієвих батарей. Через випадкові випадки, такі як вибух літієвої батареї, нерви неминуче напружені. Необхідною умовою для вирішення питань безпеки літієвих батарей є те, щоб вчені мали глибоке та всебічне розуміння причин вибухів літієвих батарей.

Сучасне наукове пояснення полягає в тому, що відкладення літію на поверхні електрода утворює дендрити, які продовжуватимуть рости, викликаючи внутрішні короткі замикання в акумуляторі, що призведе до виходу з ладу акумулятора або потенційної небезпеки пожежі. Але в минулому не вистачало ефективних технічних засобів для розуміння та вивчення з точки зору структури атома, а потім для пошуку рішень проблем.
Технологія cryo EM, яка цього місяця отримала Нобелівську премію з хімії 2017 року, забезпечує потужну технічну підтримку для цього. Дослідницька група під керівництвом професора Цуй І зі Стенфордського університету та Національної прискорювальної лабораторії SLAC безпосередньо підпорядкованої Міністерству енергетики США, а також лауреата Нобелівської премії Стівена Чу в 1997 році за допомогою кріоелектронної мікроскопії зробили перше зображення дендритів металевого літію на атомному рівні ( кріо ЕМ). Результати дослідження були опубліковані в міжнародному академічному журналі Science 27 жовтня за місцевим часом.
Кожен дендрит металевого літію є довгим гексагональним кристалом ідеальної форми. Раніше за допомогою електронної мікроскопії спостерігали лише кристали неправильної форми. Цуй І сказав: «Результати дослідження дуже захоплюючі та відкрили нову еру для відповідних досліджень!»

Кріоелектронний мікроскоп, як випливає з назви, — це мікроскопічна техніка, яка використовує кріофіксацію для спостереження за зразками при низьких температурах за допомогою трансмісійного електронного мікроскопа (ТЕМ). Кріоелектронна мікроскопія є важливим методом дослідження структурної біології та вирішальним засобом отримання структури біомолекул.

Оскільки зображення є ключем до розуміння механізмів, наукові відкриття часто покладаються на використання неозброєного ока для успішного отримання візуального зображення цілі. Довгий час вважалося, що ТЕМ не підходить для спостереження за біомолекулами, оскільки потужні електронні промені можуть пошкодити біологічні матеріали. Однак поява кріоелектронної мікроскопії дозволила дослідникам безпрецедентно «заморозити» біомолекули та спостерігати й аналізувати процеси їхнього руху. Ці характеристики мають вирішальний вплив на розуміння біохімії та розвиток фармакології. Тому кріоелектронна мікроскопія також буде включена до цьогорічної Нобелівської премії з хімії.
Для таких матеріалів, як літій, також неможливо використовувати проекційний електронний мікроскоп для перегляду результатів на атомному рівні дендритів. Подібно до біоматеріалів, під час використання ТЕМ при кімнатній температурі краї дендритів скручуються або навіть плавляться через вплив електронного променя. Янбін Лі, докторант зі Стенфордського університету, який брав участь у цій роботі, сказав: «Приготування зразків трансмісійної електронної мікроскопії здійснюється на повітрі, але металевий літій швидко піддається корозії на повітрі». «Щоразу, коли ми намагаємося спостерігати металевий літій під потужним електронним мікроскопом, електрони «свердлять дірки» в дендритах і навіть повністю його розплавляють».
Янбін Лі, аспірант із Стенфордського університету, який брав участь у цьому дослідженні, сказав: «Це все одно, що посвітити лупою на лист на сонці. Однак, якщо ви можете охолодити лист, цю проблему легко вирішити: якщо сфокусувати світло на листі, тепло також буде втрачено, і лист не буде пошкоджено. Це те, чого ми можемо досягти за допомогою кріоелектронного мікроскопа, і різниця у зображенні при використанні батарейних матеріалів дуже велика. очевидно».

Таким чином, кріоелектронна мікроскопія не тільки започаткувала нову еру в біохімії, але й дозволила вченим вперше побачити повну структуру літієвих дендритів на атомному рівні. Дослідники також виявили, що дендрити в електролітах на основі карбонатів ростуть у певному напрямку в монокристалічні нанодроти. Деякі з них можуть утворюватися в вузлики під час процесу росту, але їх кристалічна структура залишається незмінною.

Ючжанлі, інший докторант Стенфордського університету, який брав участь у цьому дослідженні, сказав, що також можна було побачити лицеву маску з інтерфейсом твердого електроліту (SEI), а також виявив різні наноструктури SEI, утворені в різних електролітах. Оскільки те саме покриття утворюється на металевому електроді, коли батарея заряджається та розряджається, контроль її генерації та стабільності має вирішальне значення для ефективного використання батареї.
За допомогою кріоЕМ вчені можуть спостерігати, як електрони вириваються з атомів у дендритах, тим самим виявляючи положення окремих атомів. Вчені можуть навіть виміряти відстань між атомами, і відстань між атомами точно вказує на те, що це атоми літію.
У прес-релізі, опублікованому SLAC, показано, що під мікроскопом дослідники використовують різні методи, щоб спостерігати за тим, як електрони викидаються з атомів дендрита, виявляючи положення окремого атома в покритті лицьової маски кристала та його твердого електроліту. . Коли вони додають хімічні речовини, які зазвичай використовуються для покращення продуктивності батареї, атомна структура покриття лицьової маски інтерфейсу твердого електроліту стає більш упорядкованою, що допоможе пояснити, чому добавки відіграють роль.
«Ми дуже схвильовані. Це перший раз, коли ми можемо отримати таке детальне зображення дендритів, і це також перший раз, коли ми можемо побачити наноструктуру твердого електролітного шару маски для обличчя». Янбін Лі сказав: «Цей інструмент може допомогти нам зрозуміти роль різних електролітів і чому деякі електроліти мають кращий ефект, ніж інші».
Відповідні дані, отримані в результаті цих експериментів, можуть забезпечити подальше розуміння механізмів виходу з ладу акумулятора. Хоча ця робота використовує металевий літій як приклад для демонстрації практичності кріоЕМ, цей метод також може бути поширений на інші дослідження з використанням чутливих до променя матеріалів, таких як літій-кремній або сірка. Дослідницька група також повідомила, що планує зосередитися на більш глибокому розумінні хімічних властивостей і структури шару маски для обличчя з твердим електролітом.