Zinātnieki ir atklājuši litija jonu akumulatoru biežo sprādzienu cēloni!

Strauji attīstoties pārnēsājamām elektroniskām ierīcēm un elektriskajiem transportlīdzekļiem, cilvēki ne tikai cenšas panākt lielāku litija akumulatoru ietilpību un ātrāku uzlādes un izlādes ātrumu, bet arī vairāk uztraucas par to, kā nodrošināt litija akumulatoru lietošanas drošību. Sakarā ar neregulāriem incidentiem, piemēram, litija bateriju sprādzieniem, cilvēka nervi neizbēgami ir saspringti. Litija bateriju drošības jautājumu risināšanas priekšnoteikums ir zinātnieku pilnīga un visaptveroša izpratne par litija bateriju sprādzienu cēloņiem.

Pašreizējais zinātniskais skaidrojums ir tāds, ka litija nogulsnēšanās uz elektrodu virsmas veidos dendritus, kas turpinās augt, izraisot iekšējus īssavienojumus akumulatorā, izraisot akumulatora atteici vai iespējamu ugunsgrēka risku. Bet agrāk trūka efektīvu tehnisko līdzekļu, lai saprastu un pētītu no atomu struktūras viedokļa un pēc tam rastu risinājumus problēmām.
Cryo EM tehnoloģija, kas šomēnes ieguva 2017. gada Nobela prēmiju ķīmijā, nodrošina tam spēcīgu tehnisko atbalstu. Pētnieku grupa, kuru vadīja profesors Cui Yi no Stenfordas universitātes un SLAC Nacionālās paātrinātāju laboratorijas tieši ASV Enerģētikas departamenta pakļautībā, kā arī Nobela prēmijas laureāts Stīvens Ču 1997. gadā, izmantojot krioelektronu mikroskopiju, uzņēma pirmo atomu līmeņa litija metāla dendrītu attēlu ( krio EM). Pētījuma rezultāti tika publicēti starptautiskajā akadēmiskajā žurnālā Science 27. oktobrī pēc vietējā laika.
Katrs litija metāla dendrīts ir garš, perfekti izveidots sešstūra kristāls. Iepriekš ar elektronu mikroskopijas palīdzību tika novēroti tikai neregulāras formas kristāli. Cui Yi teica: "Pētniecības rezultāti ir ļoti aizraujoši un ir pavēruši jaunu laikmetu saistītajiem pētījumiem!"

Krioelektronu mikroskops, kā norāda nosaukums, ir mikroskopiska metode, kas izmanto kriofiksāciju, lai novērotu paraugus zemā temperatūrā, izmantojot transmisijas elektronu mikroskopu (TEM). Krioelektronu mikroskopija ir svarīga struktūras bioloģijas izpētes metode un izšķirošs līdzeklis biomolekulu struktūras iegūšanai.

Tā kā attēli ir mehānismu izpratnes atslēga, zinātniskie sasniegumi bieži vien ir balstīti uz neapbruņotu aci, lai veiksmīgi iegūtu mērķa vizuālo tēlu. Jau ilgu laiku tika uzskatīts, ka TEM nav piemērots biomolekulu novērošanai, jo spēcīgi elektronu stari var sabojāt bioloģiskos materiālus. Tomēr krioelektronu mikroskopijas parādīšanās ir ļāvusi pētniekiem "iesaldēt" biomolekulas un bezprecedenta novērot un analizēt to kustības procesus. Šiem raksturojumiem ir izšķiroša ietekme uz bioķīmijas izpratni un farmakoloģijas attīstību. Tāpēc krioelektronu mikroskopija tiks iekļauta arī šī gada Nobela prēmijas ķīmijā.
Tādiem materiāliem kā litijs arī nav iespējams izmantot projekcijas elektronu mikroskopu, lai skatītu rezultātus dendrītu atomu līmenī. Līdzīgi kā biomateriālos, izmantojot TEM istabas temperatūrā, dendrītu malas saritināsies vai pat izkusīs elektronu stara trieciena dēļ. Stenfordas universitātes doktorants Janbins Li, kurš piedalījās šajā darbā, teica: "Pārraides elektronu mikroskopijas paraugu sagatavošana tiek veikta gaisā, bet litija metāls ātri korodēs gaisā." "Kad mēs cenšamies novērot litija metālu zem lieljaudas elektronu mikroskopa, elektroni "urbs caurumus" dendritos un pat pilnībā tos izkausēs."
Janbins Li, doktorants no Stenfordas universitātes, kurš piedalījās šajā pētījumā, teica: "Tas ir kā saules gaismas apspīdēt lapu ar palielināmo stiklu. Tomēr, ja jūs varat atdzesēt lapu, šī problēma tiks atrisināta viegli: ja jūs fokusēsit gaismu. uz lapas tiks zaudēts arī siltums, un lapa netiks bojāta. Tas ir tas, ko mēs varam panākt ar krioelektronu mikroskopu, un attēla atšķirība, izmantojot akumulatoru materiālus, ir ļoti acīmredzama.

Tātad, krioelektronu mikroskopija ne tikai ievadīja jaunu ēru bioķīmijā, bet arī ļāva zinātniekiem pirmo reizi redzēt pilnīgu litija dendrītu struktūru atomu līmenī. Pētnieki arī atklāja, ka dendriti elektrolītos, kuru pamatā ir karbonāts, aug noteiktā virzienā vienkristāla nanovados. Dažiem no tiem augšanas procesā var rasties mezgli, taču to kristāla struktūra paliek neskarta.

Yuzhangli, cits Stenfordas universitātes doktorants, kurš piedalījās šajā pētījumā, teica, ka var redzēt arī cieto elektrolīta saskarnes sejas masku (SEI), kā arī atklāja dažādas SEI nanostruktūras, kas veidojas dažādos elektrolītos. Tā kā tāds pats pārklājums veidojas arī uz metāla elektroda, kad akumulators tiek uzlādēts un izlādējies, tā rašanās un stabilitātes kontrole ir ļoti svarīga efektīvai akumulatora izmantošanai.
Izmantojot krio EM, zinātnieki var novērot, kā elektroni izplūst no dendritos esošajiem atomiem, tādējādi atklājot atsevišķu atomu stāvokli. Zinātnieki pat var izmērīt attālumu starp atomiem, un atomu atstatums precīzi norāda, ka tie ir litija atomi.
SLAC publicētais paziņojums presei liecina, ka zem mikroskopa pētnieki izmanto dažādas metodes, lai novērotu veidu, kā elektroni tiek izmesti no dendrīta atomiem, atklājot viena atoma stāvokli kristāla sejas maskas pārklājumā un tā cietā elektrolīta saskarnē. . Pievienojot ķimikālijas, ko parasti izmanto, lai uzlabotu akumulatora veiktspēju, cietā elektrolīta saskarnes sejas maskas pārklājuma atomu struktūra kļūst sakārtotāka, kas palīdzēs izskaidrot, kāpēc piedevām ir nozīme.
"Mēs esam ļoti satraukti. Šī ir pirmā reize, kad varam iegūt tik detalizētu dendrītu attēlu, un tā ir arī pirmā reize, kad varam redzēt cietā elektrolīta saskarnes sejas maskas slāņa nanostruktūru." YanbinLi teica: "Šis rīks var mums palīdzēt izprast dažādu elektrolītu lomu un to, kāpēc dažiem elektrolītiem ir labāka ietekme nekā citiem."
Attiecīgie dati, kas iegūti šajos eksperimentos, var sniegt papildu izpratni par akumulatora atteices mehānismiem. Lai gan šajā darbā kā piemērs tiek izmantots litija metāls, lai demonstrētu krio EM praktiskumu, šo metodi var attiecināt arī uz citiem pētījumiem, kuros iesaistīti staru kūļa jutīgi materiāli, piemēram, litija silīcijs vai sērs. Pētnieku komanda arī teica, ka viņi plāno koncentrēties uz lielāku izpratni par cietā elektrolīta sejas maskas slāņa ķīmiskajām īpašībām un struktūru.