ΘΕΜΑΤΑ:Τεχνολογία μπαταριώνLithium-IonUCLA
Μια θεμελιώδης ανακάλυψη και μια νέα τεχνική θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καλύτερες και ασφαλέστερες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.
UCLAΟι ερευνητές έκαναν μια πρωτοποριακή ανακάλυψη που θα μπορούσε να βελτιώσει την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα των μπαταριών λιθίου-μεταλλικού.Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα άτομα του λιθίου σχηματίζουν ένα μοναδικό 12-πλευρό σχήμαΑυτή η καινοτομία θα μπορούσε ενδεχομένως να φέρει επανάσταση στην τεχνολογία των μπαταριών λιθίου, οδηγώντας σε βελτίωση της ασφάλειας και της απόδοσης.
Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου τροφοδοτούν smartphones, ηλεκτρικά οχήματα και αποθήκευση για ηλιακή και αιολική ενέργεια, μεταξύ άλλων τεχνολογιών.
Προέρχονται από μια άλλη τεχνολογία, την μπαταρία λιθίου-μεταλλικού, η οποία δεν έχει αναπτυχθεί ή υιοθετηθεί τόσο ευρέως.Ενώ οι μπαταρίες λιθίου-μεταλλικού έχουν τη δυνατότητα να κρατήσουν περίπου το διπλάσιο της ενέργειας από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, παρουσιάζουν επίσης πολύ μεγαλύτερο κίνδυνο να πιάσουν φωτιά ή ακόμη και να εκραγούν.
Επαναστατική Έρευνα για τις Μπαταρίες Λιθίου-Metal
Τώρα, μια μελέτη από μέλη του Ινστιτούτου Νανοσυστημάτων της Καλιφόρνιας στο UCLA αποκαλύπτει μια θεμελιώδη ανακάλυψη που θα μπορούσε να οδηγήσει σε ασφαλέστερες μπαταρίες λιθίου-μεταλλίου που ξεπερνούν τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου.Η έρευνα δημοσιεύθηκε στις 2 Αυγούστου στο περιοδικόΦύση.
Το μεταλλικό λίθιο αντιδρά τόσο εύκολα με χημικές ουσίες ώστε, 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 την διάβρωση και έδειξαν ότι, στην απουσία του, τα άτομα του λιθίου συγκεντρώνονται σε ένα εκπληκτικό σχήμα, το ρομβικό δωδεκάεδρο, μια μορφή 12 πλευρών παρόμοια με τα ζάρια που χρησιμοποιούνται σε παιχνίδια ρόλων όπως το Dungeons and Dragons.
Κατανοηση των δομικών πτυχών των μπαταριών λιθίου-μεταλλικού
"Υπάρχουν χιλιάδες εργασίες σχετικά με το μέταλλο λιθίου και οι περισσότερες περιγραφές της δομής είναι ποιοτικές, όπως χοντρή ή κατά στήλη, δήλωσε ο Yuzhang Li, συντάκτης της μελέτης,βοηθός καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής στη Σχολή Μηχανικής UCLA Samueli και μέλος του CNSIΉταν εκπληκτικό για εμάς να ανακαλύψουμε ότι όταν αποτρέψαμε τη διάβρωση της επιφάνειας, αντί για αυτά τα κακοπροσδιορισμένα σχήματα,Είδαμε ένα μοναδικό πολυεδρό που ταιριάζει με τις θεωρητικές προβλέψεις που βασίζονται στην κρυσταλλική δομή του μετάλλου.Τελικά, η μελέτη αυτή μας επιτρέπει να αναθεωρήσουμε τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τις μπαταρίες λιθίου-μεταλλικού.
Αντιπαραβολή των μπαταριών ιόντων λιθίου και των μπαταριών λιθίου-μεταλλίου
Σε μικροσκοπικές κλίμακες, μια μπαταρία ιόντων λιθίου αποθηκεύει θετικά φορτισμένα άτομα λιθίου σε μια κλουβιά σαν δομή άνθρακα που καλύπτει ένα ηλεκτρόδιο.μια μπαταρία λιθίου-μεταλλίου καλύπτει το ηλεκτρόδιο με μεταλλικό λιθίοΑυτό συγκεντρώνει 10 φορές περισσότερο λίθιο στον ίδιο χώρο σε σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, που εξηγεί την αύξηση τόσο της απόδοσης όσο και του κινδύνου.
Η διαδικασία για την τοποθέτηση της επικάλυψης λιθίου βασίζεται σε μια τεχνική 200+ ετών που χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό και διαλύματα άλατων που ονομάζονται ηλεκτρολύτες.το λίθιο σχηματίζει μικροσκοπικά διακλαδιστικά νήματα με προεξέχουσες αιχμέςΣε μια μπαταρία, αν δύο από αυτές τις ακίδες διασταυρωθούν, μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε έκρηξη.
Συμπεράσματα της ανακάλυψης για την ασφάλεια και την απόδοση της μπαταρίας
Η αποκάλυψη του πραγματικού σχήματος του λιθίου, δηλαδή χωρίς διάβρωση, υποδηλώνει ότι ο κίνδυνος έκρηξης για τις μπαταρίες λιθίου-μεταλλικού μπορεί να μειωθεί.επειδή τα άτομα συσσωρεύονται σε μια οργανωμένη μορφή αντί για μια που μπορεί να διασταυρωθείΗ ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε επίσης να έχει σημαντικές επιπτώσεις για την τεχνολογία υψηλής απόδοσης ενέργειας.
Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί έχουν παράγει πάνω από δύο δεκαετίες έρευνας για τη σύνθεση μετάλλων, συμπεριλαμβανομένου του χρυσού, της πλατίνας και του αργύρου, σε σχήματα όπως νανοκύβια, νανοσφαίρες και νανοράβδους,Ο Λι είπεΤώρα που γνωρίζουμε το σχήμα του λιθίου, το ερώτημα είναι αν μπορούμε να το ρυθμίσουμε έτσι ώστε να σχηματίζει κύβους, οι οποίοι μπορούν να συσκευαστούν πυκνά ώστε να αυξηθεί τόσο η ασφάλεια όσο και η απόδοση των μπαταριών.
Επαναπροσδιορισμός της διαδικασίας αποθέσεως λιθίου
Μέχρι τώρα, η επικρατούσα άποψη ήταν ότι η επιλογή των ηλεκτρολυτών στο διάλυμα καθορίζει το σχήμα που σχηματίζει το λίθιο σε μια επιφάνεια, είτε η δομή μοιάζει με κομμάτια ή στήλες.Οι ερευνητές του UCLA είχαν μια διαφορετική ιδέα..
"Θέλαμε να δούμε αν θα μπορούσαμε να αποθηκεύσουμε λιθίου τόσο γρήγορα ώστε να ξεπεράσουμε την αντίδραση που προκαλεί το φιλμ διάβρωσης", δήλωσε ο διδακτορικός φοιτητής του UCLA Xintong Yuan, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης.Θα μπορούσαμε να δούμε πώς το λίθιο θέλει να αναπτυχθεί στην απουσία αυτού του φιλμ.. ̇
Επεξεργασία της τεχνικής αποθέσεως λιθίου
Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα τεχνική για την κατάθεση λιθίου ταχύτερα από τις μορφές διάβρωσης. They ran current through a much smaller electrode in order to push electricity out faster — much like the way that partially blocking the nozzle of a garden hose causes water to shoot out more forcefully.
Ωστόσο, απαιτείται μια ισορροπία, διότι η υπερβολική επιτάχυνση της διαδικασίας θα οδηγούσε στις ίδιες αιχμηρές δομές που προκαλούν βραχυκυκλώματα.Η ομάδα αντιμετώπισε αυτό το πρόβλημα προσαρμόζοντας το σχήμα του μικροσκοπικού ηλεκτρόδιού τους.
Έβαλαν λίθιο σε επιφάνειες χρησιμοποιώντας τέσσερις διαφορετικούς ηλεκτρολύτες, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα μεταξύ μιας τυποποιημένης τεχνικής και της νέας τους μεθόδου.Το λίθιο σχημάτισε τέσσερα διακριτά μικροσκοπικά σχήματαΩστόσο, με τη διαδικασία χωρίς διάβρωση, διαπίστωσαν ότι το λίθιο σχημάτισε μικροσκοπικά δωδεκάετρα, όχι μεγαλύτερα από 2 εκατομμυριοστά του μέτρου.ή περίπου το μέσο μήκος ενός μεμονωμένου βακτηριδίου σε όλες τις τέσσερις περιπτώσεις.
Αποκαλύπτοντας το σχήμα του λιθίου με τη χρήση της κρυο-EM
Οι ερευνητές ήταν σε θέση να δουν το σχήμα του λιθίου χάρη σε μια τεχνική απεικόνισης που ονομάζεται κρυοηλεκτρονική μικροσκόπηση, ή κρυο-EM,που εκπέμπει ηλεκτρόνια μέσα από κατεψυγμένα δείγματα για να δείχνει λεπτομέρειες μέχρι το ατομικό επίπεδο ενώ αναστέλλει τη βλάβη στα δείγματα.
Η κρυο-EM έχει γίνει πανταχού παρούσα στις βιοεπιστήμες για τον προσδιορισμό των δομών των πρωτεϊνών και των ιών.
Πρώτον, όταν ο Λι ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής, απέδειξε ότι η κρυο-EM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση του λιθίου, το οποίο καταρρέει σε κομμάτια όταν εκτίθεται σε ακτίνα ηλεκτρονίων σε θερμοκρασία δωματίου.(Η μελέτη του δημοσιεύθηκε το 2017 στο περιοδικό ScienceΔεύτερον, η ομάδα πραγματοποίησε πειράματα στο κέντρο απεικόνισης ηλεκτρονίων για νανομηχανές του CNSI.που φιλοξενεί αρκετά όργανα κρυο-EM που έχουν προσαρμοστεί για να φιλοξενήσουν τους τύπους δειγμάτων που χρησιμοποιούνται στην έρευνα υλικών.