Naukowcy odkryli przyczynę częstych eksplozji akumulatorów litowo-jonowych!

Wraz z szybkim rozwojem przenośnych urządzeń elektronicznych i pojazdów elektrycznych ludzie nie tylko dążą do większej pojemności oraz większej prędkości ładowania i rozładowywania akumulatorów litowych, ale także są bardziej zainteresowani tym, jak zapewnić bezpieczeństwo użytkowania akumulatorów litowych. Z powodu sporadycznych zdarzeń, takich jak eksplozje baterii litowej, nerwy są nieuchronnie napięte. Warunkiem wstępnym rozwiązania kwestii bezpieczeństwa akumulatorów litowych jest dokładne i wszechstronne zrozumienie przez naukowców przyczyn eksplozji akumulatorów litowych.

Obecne naukowe wyjaśnienie jest takie, że osadzanie się litu na powierzchni elektrody spowoduje utworzenie dendrytów, które będą nadal rosnąć, powodując wewnętrzne zwarcia w akumulatorze, prowadzące do awarii akumulatora lub potencjalnego zagrożenia pożarowego. Jednak w przeszłości brakowało skutecznych środków technicznych umożliwiających zrozumienie i badanie z perspektywy struktury atomowej, a następnie znalezienie rozwiązań problemów.
Technologia Cryo EM, która w tym miesiącu zdobyła Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2017 r., zapewnia w tym zakresie solidne wsparcie techniczne. Zespół badawczy kierowany przez profesora Cui Yi z Uniwersytetu Stanforda i Narodowego Laboratorium Akceleratora SLAC bezpośrednio pod Departamentem Energii USA, a także laureata Nagrody Nobla Stevena Chu w 1997 r., wykonał pierwszy obraz dendrytów litowo-metalicznych na poziomie atomowym za pomocą kriomikroskopii elektronowej ( krioEM). Wyniki badań opublikowano 27 października czasu lokalnego w międzynarodowym czasopiśmie akademickim Science.
Każdy dendryt litowo-metalowy jest długim, doskonale uformowanym sześciokątnym kryształem. Wcześniej za pomocą mikroskopu elektronowego obserwowano jedynie kryształy o nieregularnym kształcie. Cui Yi powiedział: „Wyniki badań są bardzo ekscytujące i otworzyły nową erę w powiązanych badaniach!”

Mikroskop krioelektronowy, jak sama nazwa wskazuje, jest techniką mikroskopową, która wykorzystuje kriofiksację do obserwacji próbek w niskich temperaturach za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). Mikroskopia krioelektronowa jest ważną metodą badań z zakresu biologii strukturalnej i kluczowym sposobem uzyskiwania struktury biomolekuł.

Ponieważ obrazy są kluczem do zrozumienia mechanizmów, przełomy naukowe często polegają na użyciu gołym okiem, aby skutecznie uzyskać wizualny obraz celu. Przez długi czas uważano, że TEM nie nadaje się do obserwacji biomolekuł, ponieważ silne wiązki elektronów mogą uszkodzić materiały biologiczne. Jednak pojawienie się kriomikroskopii elektronowej umożliwiło naukowcom „zamrożenie” biomolekuł oraz obserwację i analizę procesów ich ruchu w niespotykany dotąd sposób. Charakterystyki te mają decydujący wpływ na zrozumienie biochemii i rozwój farmakologii. Dlatego też kriomikroskopia elektronowa również znajdzie się w gronie tegorocznej Nagrody Nobla w dziedzinie chemii.
W przypadku materiałów takich jak lit nie można również użyć projekcyjnego mikroskopu elektronowego do obejrzenia wyników na poziomie atomowym dendrytów. Podobnie jak w przypadku biomateriałów, podczas stosowania TEM w temperaturze pokojowej krawędzie dendrytów będą się zwijać, a nawet topić w wyniku uderzenia wiązki elektronów. Yanbin Li, doktorant z Uniwersytetu Stanforda, który brał udział w tych pracach, powiedział: „Przygotowanie próbek z transmisyjnej mikroskopii elektronowej odbywa się w powietrzu, ale lit metaliczny szybko koroduje w powietrzu”. „Za każdym razem, gdy próbujemy obserwować lit metaliczny pod mikroskopem elektronowym dużej mocy, elektrony „wywiercą dziury” w dendrytach, a nawet całkowicie je stopią”.
Yanbin Li, doktorant z Uniwersytetu Stanforda, który brał udział w tym badaniu, powiedział: „To jak świecenie liścia w świetle słonecznym za pomocą szkła powiększającego. Jeśli jednak uda Ci się schłodzić liść, problem ten można łatwo rozwiązać: jeśli skupisz światło na liściu ciepło również zostanie utracone, a liść nie ulegnie uszkodzeniu. To właśnie możemy osiągnąć za pomocą mikroskopu krioelektronowego, a różnica w obrazowaniu przy użyciu materiałów, z których wykonano akumulator, jest bardzo oczywista”.

Zatem kriomikroskopia elektronowa nie tylko zapoczątkowała nową erę w biochemii, ale także umożliwiła naukowcom po raz pierwszy zobaczenie pełnej struktury dendrytów litu na poziomie atomowym. Naukowcy odkryli również, że dendryty w elektrolitach na bazie węglanów rosną w określonym kierunku, tworząc nanodruty monokrystaliczne. Niektóre z nich mogą ulegać zawiązywaniu podczas procesu wzrostu, ale ich struktura krystaliczna pozostaje nienaruszona.

Yuzhangli, inny doktorant Uniwersytetu Stanforda, który brał udział w tych badaniach, powiedział, że można zobaczyć również maskę twarzową z interfejsem stałego elektrolitu (SEI), a także ujawniła różne nanostruktury SEI utworzone w różnych elektrolitach. Ponieważ ta sama powłoka tworzy się również na elektrodzie metalowej podczas ładowania i rozładowywania akumulatora, kontrolowanie jej wytwarzania i stabilność ma kluczowe znaczenie dla efektywnego wykorzystania akumulatora.
Korzystając z Cryo EM, naukowcy mogą obserwować, jak elektrony wyrzucane są z atomów w dendrytach, ujawniając w ten sposób położenie poszczególnych atomów. Naukowcy mogą nawet zmierzyć odległość między atomami, a odstępy między atomami precyzyjnie wskazują, że są to atomy litu.
Z komunikatu prasowego opublikowanego przez SLAC wynika, że ​​pod mikroskopem badacze wykorzystują różne techniki do obserwacji sposobu, w jaki elektrony są wyrzucane z atomów dendrytu, ujawniając położenie pojedynczego atomu w powłoce maski twarzowej kryształu i na granicy faz stałego elektrolitu . Po dodaniu środków chemicznych powszechnie stosowanych w celu poprawy wydajności baterii struktura atomowa powłoki maski na twarz ze stałym elektrolitem staje się bardziej uporządkowana, co pomoże wyjaśnić, dlaczego dodatki odgrywają rolę.
„Jesteśmy bardzo podekscytowani. Po raz pierwszy możemy uzyskać tak szczegółowy obraz dendrytów i po raz pierwszy możemy zobaczyć nanostrukturę warstwy maski twarzowej na styku stałego elektrolitu”. YanbinLi powiedział: „To narzędzie może pomóc nam zrozumieć rolę różnych elektrolitów i dlaczego niektóre elektrolity mają lepsze działanie niż inne”.
Odpowiednie dane zaobserwowane w wyniku tych eksperymentów mogą zapewnić dalsze zrozumienie mechanizmów awarii akumulatorów. Chociaż w tej pracy wykorzystano lit metaliczny jako przykład w celu wykazania praktyczności krioEM, metodę tę można również rozszerzyć na inne badania z udziałem materiałów wrażliwych na wiązki, takich jak litowo-krzemowy lub siarka. Zespół badawczy stwierdził również, że planuje skupić się na lepszym zrozumieniu właściwości chemicznych i struktury warstwy maski na twarz ze stałym elektrolitem.