今天,一篇關(guān)于鋰金屬電池的研究登上Nature封面。
來自加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的華人團(tuán)隊(duì),開發(fā)了一種防止金屬鋰快速形成腐蝕層的方法。
在該技術(shù)下,鋰原子結(jié)構(gòu)會(huì)形成一種此前從未被科學(xué)家觀測(cè)過的形狀:
菱形十二面體。
有點(diǎn)兒像《龍與地下城》游戲中用到的骰子。
——如此清晰又具體的呈現(xiàn)形式意味著,我們可以改造現(xiàn)有的鋰金屬電池構(gòu)造,從而降低其爆炸風(fēng)險(xiǎn),解決目前最擔(dān)憂的安全問題。
評(píng)價(jià)稱,這將可能對(duì)高性能能源技術(shù)產(chǎn)生重大影響。
具體怎么說?
首次揭示鋰原子真實(shí)形狀
我們知道鋰電池,可分為鋰離子電池和鋰金屬電池。
前者已廣泛用于我們的手機(jī)、電動(dòng)汽車以及太陽能和風(fēng)能存儲(chǔ)等場(chǎng)景。
后者的存儲(chǔ)能力是前者的兩倍,但還未得到廣泛開發(fā)和采用。一個(gè)原因是它有著更大的著火甚至爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
具體而言,在微觀尺度上,鋰離子電池將帶正電的鋰原子存儲(chǔ)在覆蓋電極的“籠狀”碳結(jié)構(gòu)中。
相比之下,鋰金屬電池在電極上涂有金屬鋰,通過金屬鋰的腐蝕或叫氧化來產(chǎn)生電能。
與鋰離子電池相比,它在相同的空間中容納的鋰多了10倍,性能提升的同時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)也增加——
這主要是指在充電時(shí),我們需要在陽極對(duì)鋰金屬進(jìn)行“重整”,但這一過程受到電池電解質(zhì)和集電器的影響,導(dǎo)致鋰沉積物的形狀發(fā)生不可預(yù)測(cè)的變化。
比如,它們可能會(huì)形成具有突出尖刺的微觀分支細(xì)絲,一旦其中兩個(gè)尖峰交叉,就會(huì)導(dǎo)致短路,那爆炸也就隨之而來了。
在這里,研究人員想要找到一種趕在腐蝕層形成之前完成沉積鋰的方法,以便觀察在沒有這一層薄膜的情況下,鋰是如何生長的。
為此他們開發(fā)了一種防腐蝕方法,即用一個(gè)比正常規(guī)模小得多的電極通電,讓電更快地排出來,來達(dá)到上面的目標(biāo)。
舉個(gè)例子,這這個(gè)方法的原理就像我們澆水時(shí)把軟管噴嘴用手指堵住一部分后,噴水會(huì)更有勁兒一樣。
當(dāng)然,作者表示,整個(gè)過程要達(dá)到一種平衡,因?yàn)槿绻俣冗^快也會(huì)導(dǎo)致同樣的尖峰結(jié)構(gòu)出現(xiàn),從而導(dǎo)致短路。
而通過調(diào)整微型電極的形狀,就可以解決這個(gè)問題。
接下來,他們使用四種不同的電解質(zhì)將鋰沉積在電極表面上,并用冷凍電鏡進(jìn)行觀察。
而采用了的這些樣本,被研究人員觀察到了非常令人驚訝的結(jié)果:
所有四種情況下,鋰原子都形成了微小的十二面體結(jié)構(gòu),它們的長度全都不超過2微米,或者說也就跟細(xì)菌的平均直徑差不多。
真實(shí)圖像則分別長這樣:
作者表示,之前已有數(shù)千篇鋰金屬論文都對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,但最終得到的都是一些模糊的描述,比如“塊狀”或“柱狀”。
他們這項(xiàng)成果,等于終于看到了一個(gè)比較清晰的結(jié)構(gòu),而這還與基于金屬晶體結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè)相匹配。
這意味著鋰原子是以有序而不是縱橫交錯(cuò)、亂七八糟的形式疊在一起,這樣,爆炸的風(fēng)險(xiǎn)就小了很多。
好消息是,目前在將金、鉑和銀等金屬合成為納米立方體、納米球和納米棒等形狀這一研究領(lǐng)域,相關(guān)科學(xué)家和工程師們已經(jīng)進(jìn)行了二十多年的研究。
因此,接下來的問題就變成了:
我們知道了鋰金屬電池中的安全形狀,能否照著它對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整(讓它形成如上的立方體,并能夠進(jìn)行密集疊裝),最終提高這類電池的安全性和性能呢?
作者介紹
本文一作為UCLA化學(xué)和生物分子工程助理教授Yuzhang Li。他本科畢業(yè)于UC伯克利,博士畢業(yè)于斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)。
通訊作者為UCLA微晶電子衍射(MicroED)技術(shù)方面的首席科學(xué)家Matthew Mecklenburg。
另外兩位合著者都為華人:
一位是UCLA化學(xué)工程博士在讀生Xintong Yuan,她本碩分別畢業(yè)于四川大學(xué)和天津大學(xué)。
另一位也是來自一作Yuzhang Li教授實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生,名為Bo Liu。
原標(biāo)題:鋰電池防炸成果登Nature封面,UCLA華人團(tuán)隊(duì)出品