ΘΕΜΑΤΑ:Τεχνολογία ΜπαταριώνΙόν ΛιθίουUCLA
Η θεμελιώδης ανακάλυψη και η νέα τεχνική θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καλύτερες, ασφαλέστερες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.
UCLAΟι ερευνητές έκαναν μια πρωτοποριακή ανακάλυψη που θα μπορούσε να βελτιώσει την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα των μπαταριών λιθίου-μετάλλου.Αποτρέποντας τη διάβρωση κατά την εναπόθεση λιθίου, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα άτομα λιθίου σχηματίζουν ένα μοναδικό σχήμα 12 πλευρών, μειώνοντας τον κίνδυνο εκρήξεων.Αυτή η καινοτομία θα μπορούσε ενδεχομένως να φέρει επανάσταση στην τεχνολογία μπαταριών λιθίου, οδηγώντας σε βελτιωμένη ασφάλεια και απόδοση.
Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου τροφοδοτούν smartphone, ηλεκτρικά οχήματα και χώρο αποθήκευσης ηλιακής και αιολικής ενέργειας, μεταξύ άλλων τεχνολογιών.
Προέρχονται από μια άλλη τεχνολογία, την μπαταρία λιθίου-μετάλλου, που δεν έχει αναπτυχθεί ή υιοθετηθεί τόσο ευρέως.Υπάρχει ένας λόγος για αυτό: Ενώ οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου έχουν τη δυνατότητα να συγκρατούν περίπου τη διπλάσια ενέργεια από ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, παρουσιάζουν επίσης πολύ μεγαλύτερο κίνδυνο να πιάσουν φωτιά ή ακόμα και να εκραγούν.
Επαναστατική έρευνα για τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου
Τώρα, μια μελέτη από μέλη του Ινστιτούτου NanoSystems της Καλιφόρνια στο UCLA αποκαλύπτει μια θεμελιώδη ανακάλυψη που θα μπορούσε να οδηγήσει σε ασφαλέστερες μπαταρίες λιθίου-μετάλλου που ξεπερνούν τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου.Η έρευνα δημοσιεύτηκε στις 2 Αυγούστου στο περιοδικόΦύση.
Το μεταλλικό λίθιο αντιδρά τόσο εύκολα με χημικές ουσίες που, υπό κανονικές συνθήκες, η διάβρωση σχηματίζεται σχεδόν αμέσως ενώ το μέταλλο τοποθετείται σε μια επιφάνεια όπως ένα ηλεκτρόδιο.Αλλά οι ερευνητές του UCLA ανέπτυξαν μια τεχνική που αποτρέπει αυτή τη διάβρωση και έδειξαν ότι, ελλείψει αυτής, τα άτομα λιθίου συναρμολογούνται σε ένα εκπληκτικό σχήμα - το ρομβικό δωδεκάεδρο, μια φιγούρα 12 πλευρών παρόμοια με τα ζάρια που χρησιμοποιούνται σε παιχνίδια ρόλων όπως Dungeons and Dragons .
Κατανόηση των δομικών πτυχών των μπαταριών λιθίου-μετάλλου
«Υπάρχουν χιλιάδες χαρτιά για το μέταλλο λιθίου και οι περισσότερες περιγραφές της δομής είναι ποιοτικές, όπως «χοντροκομμένες» ή «στυλώδεις», δήλωσε ο Yuzhang Li, ο αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης, επίκουρος καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής στο το UCLA Samueli School of Engineering και μέλος του CNSI.«Ήταν έκπληξη για εμάς να ανακαλύψουμε ότι όταν αποτρέψαμε τη διάβρωση της επιφάνειας, αντί για αυτά τα κακώς καθορισμένα σχήματα, είδαμε ένα μοναδικό πολύεδρο που ταιριάζει με θεωρητικές προβλέψεις που βασίζονται στην κρυσταλλική δομή του μετάλλου.Τελικά, αυτή η μελέτη μας επιτρέπει να αναθεωρήσουμε τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου».
Μπαταρίες ιόντων λιθίου και μετάλλου λιθίου σε αντίθεση
Σε μικροσκοπικές κλίμακες, μια μπαταρία ιόντων λιθίου αποθηκεύει θετικά φορτισμένα άτομα λιθίου σε μια δομή άνθρακα που μοιάζει με κλουβί που καλύπτει ένα ηλεκτρόδιο.Αντίθετα, μια μπαταρία λιθίου-μετάλλου επικαλύπτει το ηλεκτρόδιο με μεταλλικό λίθιο.Αυτό συσκευάζει 10 φορές περισσότερο λίθιο στον ίδιο χώρο σε σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, γεγονός που ευθύνεται για την αύξηση τόσο της απόδοσης όσο και του κινδύνου.
Η διαδικασία για την τοποθέτηση της επικάλυψης λιθίου βασίζεται σε μια τεχνική 200 και πλέον ετών που χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό και διαλύματα αλάτων που ονομάζονται ηλεκτρολύτες.Συχνά, το λίθιο σχηματίζει μικροσκοπικά διακλαδιζόμενα νημάτια με προεξέχουσες αιχμές.Σε μια μπαταρία, εάν δύο από αυτές τις αιχμές διασταυρωθούν, μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε έκρηξη.
Επιπτώσεις της Ανακάλυψης στην ασφάλεια και την απόδοση της μπαταρίας
Η αποκάλυψη του αληθινού σχήματος του λιθίου - δηλαδή απουσία διάβρωσης - υποδηλώνει ότι ο κίνδυνος έκρηξης για τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου μπορεί να μειωθεί, επειδή τα άτομα συσσωρεύονται σε μια εύτακτη μορφή αντί για μια που μπορεί να διασταυρωθεί.Η ανακάλυψη θα μπορούσε επίσης να έχει σημαντικές επιπτώσεις για την ενεργειακή τεχνολογία υψηλής απόδοσης.
«Επιστήμονες και μηχανικοί έχουν πραγματοποιήσει έρευνα αξίας δύο δεκαετιών για τη σύνθεση μετάλλων, συμπεριλαμβανομένου του χρυσού, της πλατίνας και του ασημιού σε σχήματα όπως νανοκύβοι, νανοσφαίρες και νανοράβδοι», είπε ο Λι.«Τώρα που γνωρίζουμε το σχήμα του λιθίου, το ερώτημα είναι, μπορούμε να το συντονίσουμε έτσι ώστε να σχηματίζει κύβους, οι οποίοι μπορούν να συσκευαστούν πυκνά για να αυξήσουν τόσο την ασφάλεια όσο και την απόδοση των μπαταριών;»
Επανασχεδιάζοντας τη διαδικασία εναπόθεσης λιθίου
Μέχρι τώρα, η επικρατούσα άποψη ήταν ότι η επιλογή των ηλεκτρολυτών σε διάλυμα καθορίζει το σχήμα που σχηματίζει το λίθιο σε μια επιφάνεια — είτε η δομή μοιάζει με κομμάτια είτε με στήλες.Οι ερευνητές του UCLA είχαν διαφορετική ιδέα.
«Θέλαμε να δούμε αν θα μπορούσαμε να εναποθέσουμε λίθιο τόσο γρήγορα ώστε να ξεπεράσουμε την αντίδραση που προκαλεί το φιλμ διάβρωσης», δήλωσε ο φοιτητής διδακτορικού του UCLA Xintong Yuan, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης.«Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσαμε ενδεχομένως να δούμε πώς το λίθιο θέλει να αναπτυχθεί απουσία αυτής της ταινίας».
Καθαρισμός της τεχνικής εναπόθεσης λιθίου
Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα τεχνική για την εναπόθεση λιθίου ταχύτερα από τις μορφές διάβρωσης.Περνούσαν ρεύμα μέσα από ένα πολύ μικρότερο ηλεκτρόδιο για να ωθήσουν το ηλεκτρικό ρεύμα πιο γρήγορα - όπως με τον τρόπο που το μερικό μπλοκάρισμα του ακροφυσίου ενός σωλήνα κήπου κάνει το νερό να εκτοξεύεται πιο δυνατά.
Απαιτήθηκε, ωστόσο, μια ισορροπία, επειδή η υπερβολική επιτάχυνση της διαδικασίας θα οδηγούσε στις ίδιες αιχμηρές δομές που προκαλούν βραχυκυκλώματα.η ομάδα αντιμετώπισε αυτό το ζήτημα προσαρμόζοντας το σχήμα του μικροσκοπικού ηλεκτροδίου της.
Έριξαν λίθιο σε επιφάνειες χρησιμοποιώντας τέσσερις διαφορετικούς ηλεκτρολύτες, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα μεταξύ μιας τυπικής τεχνικής και της νέας τους μεθόδου.Με τη διάβρωση, το λίθιο σχημάτισε τέσσερα διακριτά μικροσκοπικά σχήματα.Ωστόσο, με τη διαδικασία χωρίς διάβρωση, διαπίστωσαν ότι το λίθιο σχημάτισε μικροσκοπικά δωδεκάεδρα - όχι μεγαλύτερα από τα 2 εκατομμυριοστά του μέτρου ή περίπου το μέσο μήκος ενός μεμονωμένου βακτηρίου - και στις τέσσερις περιπτώσεις.
Ξετυλίγοντας το σχήμα του λιθίου χρησιμοποιώντας το Cryo-EM
Οι ερευνητές μπόρεσαν να δουν το σχήμα του λιθίου χάρη σε μια τεχνική απεικόνισης που ονομάζεται κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία ή κρυο-ΕΜ, η οποία εκπέμπει ηλεκτρόνια μέσω κατεψυγμένων δειγμάτων για να δείξει λεπτομέρειες μέχρι το ατομικό επίπεδο ενώ αναστέλλει τη βλάβη στα δείγματα.
Το Cryo-EM έχει γίνει πανταχού παρόν στις βιοεπιστήμες για τον προσδιορισμό των δομών των πρωτεϊνών και των ιών.Η χρήση για την επιστήμη των υλικών αυξάνεται και οι ερευνητές του UCLA είχαν δύο βασικά πλεονεκτήματα.
Πρώτον, όταν ο Li ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής, έδειξε ότι το cryo-EM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση του λιθίου, το οποίο πέφτει σε κομμάτια όταν εκτίθεται σε δέσμη ηλεκτρονίων σε θερμοκρασία δωματίου.(Η μελέτη του δημοσιεύτηκε το 2017 στο περιοδικό Science.) Δεύτερον, η ομάδα πραγματοποίησε πειράματα στο Electron Imaging Center for Nanomachines του CNSI, το οποίο φιλοξενεί πολλά όργανα κρυο-EM που έχουν προσαρμοστεί για να φιλοξενούν τους τύπους δειγμάτων που χρησιμοποιούνται στην έρευνα υλικών .