鋰電池防炸成果登Nature封面，UCLA華人團(tuán)隊(duì)出品

豐色 2023-08-03 15:14:53 來(lái)源：量子位

豐色 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

今天，一篇關(guān)于鋰金屬電池的研究登上Nature封面。

來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的華人團(tuán)隊(duì)，開(kāi)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(guò)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(wèn)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(shuō)？

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(yáng)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(kāi)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(guò)金屬鋰的腐蝕或叫氧化來(lái)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(yáng)極對(duì)鋰金屬進(jìn)行“重整”，但這一過(guò)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(lái)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(méi)有這一層薄膜的情況下，鋰是如何生長(zhǎng)的。

為此他們開(kāi)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(lái)，來(lái)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(guò)程要達(dá)到一種平衡，因?yàn)槿绻俣冗^(guò)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(guò)調(diào)整微型電極的形狀，就可以解決這個(gè)問(wèn)題。

接下來(lái)，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。

最終，沒(méi)有采用該防腐蝕技術(shù)的鋰形成了四種不同的微觀形狀：

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(zhǎng)度全都不超過(guò)2微米，或者說(shuō)也就跟細(xì)菌的平均直徑差不多。

真實(shí)圖像則分別長(zhǎng)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(lái)的問(wèn)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

本文通訊作者為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)。

另一通訊作者為UCLA微晶電子衍射（MicroED）技術(shù)方面的首席科學(xué)家Matthew Mecklenburg。

兩位一作都為華人：

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)。

另一位是Yuzhang Li教授實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，名為Bo Liu。

論文地址：
https://www.nature.com/nature/volumes/620/issues/7972
參考鏈接：
https://phys.org/news/2023-08-true-lithium-revealed.html