Vědci objevili příčinu častých výbuchů v lithium-iontových bateriích!

S rychlým rozvojem přenosných elektronických zařízení a elektrických vozidel lidé nejen usilují o větší kapacitu a rychlejší nabíjení a vybíjení lithiových baterií, ale také se více zajímají o to, jak zajistit bezpečnost používání lithiových baterií. Kvůli občasným incidentům, jako jsou výbuchy lithiových baterií, jsou nervy nevyhnutelně napjaté. Předpokladem pro řešení bezpečnostních otázek lithiových baterií je, aby vědci důkladně a komplexně porozuměli příčinám výbuchů lithiových baterií.

Současné vědecké vysvětlení je, že usazování lithia na povrchu elektrody vytvoří dendrity, které budou dále růst, což způsobí vnitřní zkraty v baterii, což povede k selhání baterie nebo potenciálnímu nebezpečí požáru. V minulosti však chyběly účinné technické prostředky k pochopení a studiu z perspektivy atomové struktury a následnému nalezení řešení problémů.
K tomu poskytuje silnou technickou podporu technologie cryo EM, která tento měsíc získala Nobelovu cenu za chemii za rok 2017. Výzkumný tým vedený profesorem Cui Yi ze Stanfordské univerzity a SLAC National Accelerator Laboratory přímo pod ministerstvem energetiky USA, stejně jako laureát Nobelovy ceny Steven Chu v roce 1997, pořídil první snímek lithiových kovových dendritů na atomové úrovni pomocí kryoelektronové mikroskopie ( kryo EM). Výsledky výzkumu byly zveřejněny v mezinárodním akademickém časopise Science 27. října místního času.
Každý lithiový kovový dendrit je dlouhý, dokonale tvarovaný šestiúhelníkový krystal. Dříve byly pomocí elektronové mikroskopie pozorovány pouze nepravidelně tvarované krystaly. Cui Yi řekl: "Výsledky výzkumu jsou velmi vzrušující a otevřely novou éru souvisejícímu výzkumu!"

Kryoelektronový mikroskop, jak název napovídá, je mikroskopická technika, která využívá kryofixaci k pozorování vzorků při nízkých teplotách pomocí transmisního elektronového mikroskopu (TEM). Kryoelektronová mikroskopie je důležitou strukturně-biologickou výzkumnou metodou a zásadním prostředkem pro získání struktury biomolekul.

Protože obrazy jsou klíčem k pochopení mechanismů, vědecké objevy často spoléhají na použití pouhým okem k úspěšnému získání vizuálního obrazu cíle. Dlouhou dobu se věřilo, že TEM není vhodný pro pozorování biomolekul, protože silné elektronové paprsky mohou poškodit biologické materiály. Vznik kryo elektronové mikroskopie však umožnil výzkumníkům „zmrazit“ biomolekuly a bezprecedentně pozorovat a analyzovat jejich pohybové procesy. Tyto charakterizace mají rozhodující vliv na pochopení biochemie a rozvoj farmakologie. Do letošní Nobelovy ceny za chemii proto bude zařazena i kryoelektronová mikroskopie.
U materiálů, jako je lithium, také není možné použít projekční elektronový mikroskop k zobrazení výsledků na atomární úrovni dendritů. Podobně jako u biomateriálů se při použití TEM při pokojové teplotě okraje dendritů zvlní nebo dokonce roztaví vlivem dopadu elektronového paprsku. Yanbin Li, doktorand ze Stanfordské univerzity, který se podílel na této práci, řekl: "Příprava vzorků pro transmisní elektronovou mikroskopii se provádí na vzduchu, ale kov lithia bude ve vzduchu rychle korodovat." "Kdykoli se pokusíme pozorovat lithiový kov pod vysoce výkonným elektronovým mikroskopem, elektrony "vyvrtají díry" do dendritů a dokonce je úplně roztaví."
Yanbin Li, doktorand ze Stanfordské univerzity, který se podílel na této studii, řekl: "Je to jako posvítit lupou na list ve slunečním světle. Pokud však můžete list ochladit, tento problém se vyřeší snadno: pokud zaostříte světlo na listu se také ztratí teplo a list se nepoškodí. Toho můžeme dosáhnout pomocí kryoelektronového mikroskopu a rozdíl v zobrazování při použití bateriových materiálů je velmi patrný.“

Kryoelektronová mikroskopie tedy nejen zahájila novou éru v biochemii, ale také umožnila vědcům poprvé vidět kompletní strukturu lithiových dendritů na atomární úrovni. Výzkumníci také zjistili, že dendrity v elektrolytech na bázi uhličitanu rostou specifickým směrem do monokrystalických nanodrátů. U některých z nich může během procesu růstu dojít k zauzlování, ale jejich krystalová struktura zůstává nedotčena.

Yuzhangli, další doktorand ze Stanfordské univerzity, který se účastnil tohoto výzkumu, řekl, že bylo možné vidět také obličejovou masku s rozhraním pevného elektrolytu (SEI) a také odhalil různé nanostruktury SEI vytvořené v různých elektrolytech. Protože se stejný povlak tvoří i na kovové elektrodě, když se baterie nabíjí a vybíjí, je kontrola její generace a stability zásadní pro efektivní využití baterie.
Pomocí cryo EM mohou vědci pozorovat, jak se elektrony vymršťují z atomů v dendritech, a tím odhalují polohu jednotlivých atomů. Vědci dokonce dokážou změřit vzdálenost mezi atomy a atomová vzdálenost přesně ukazuje, že se jedná o atomy lithia.
Tisková zpráva zveřejněná SLAC ukazuje, že pod mikroskopem vědci používají různé techniky k pozorování způsobu, jakým jsou elektrony vyhazovány z atomů dendritu, a odhalují polohu jednoho atomu v potahu obličejové masky krystalu a jeho rozhraní pevného elektrolytu. . Když přidají chemikálie běžně používané ke zlepšení výkonu baterie, atomová struktura povlaku obličejové masky s rozhraním pevného elektrolytu se stane uspořádanější, což pomůže vysvětlit, proč aditiva hrají roli.
"Jsme velmi nadšení. Je to poprvé, co můžeme získat tak detailní snímek dendritů, a je to také poprvé, co můžeme vidět nanostrukturu vrstvy obličejové masky s rozhraním pevného elektrolytu." YanbinLi řekl: "Tento nástroj nám může pomoci pochopit roli různých elektrolytů a proč mají některé elektrolyty lepší účinky než jiné."
Relevantní data pozorovaná z těchto experimentů mohou poskytnout další pochopení mechanismů selhání baterie. Ačkoli tato práce používá lithium kovové jako příklad k demonstraci praktičnosti kryo EM, tato metoda může být také rozšířena na další studie zahrnující materiály citlivé na paprsek, jako je lithium, křemík nebo síra. Výzkumný tým také uvedl, že se plánuje zaměřit na lepší pochopení chemických vlastností a struktury vrstvy obličejové masky s pevným elektrolytem.