Ix-xjentisti skoprew il-kawża ta 'splużjonijiet frekwenti fil-batteriji tal-jone tal-litju!

Bl-iżvilupp mgħaġġel ta 'apparat elettroniku portabbli u vetturi elettriċi, in-nies mhux biss qed isegwu kapaċità akbar u veloċità ta' ċċarġjar u ħatt aktar mgħaġġla ta 'batteriji tal-litju, iżda wkoll aktar imħassba dwar kif tiġi żgurata s-sigurtà tal-użu tal-batterija tal-litju. Minħabba inċidenti okkażjonali bħal splużjonijiet tal-batterija tal-litju, in-nervituri ta 'wieħed huma inevitabbilment tensjoni. Il-prerekwiżit biex jissolvew il-kwistjonijiet ta 'sikurezza tal-batteriji tal-litju huwa li x-xjenzati jkollhom fehim bir-reqqa u komprensiv tal-kawżi tal-isplużjonijiet tal-batteriji tal-litju.

L-ispjegazzjoni xjentifika attwali hija li d-depożizzjoni tal-litju fuq il-wiċċ tal-elettrodu se tifforma dendriti, li se jkomplu jikbru, u jikkawżaw short circuits interni fil-batterija, li jwasslu għal falliment tal-batterija jew perikli potenzjali tan-nar. Iżda fil-passat, kien hemm nuqqas ta 'mezzi tekniċi effettivi biex tifhem u tistudja mill-perspettiva tal-istruttura atomika, u mbagħad issib soluzzjonijiet għall-problemi.
It-teknoloġija cryo EM, li rebħet il-Premju Nobel 2017 fil-Kimika dan ix-xahar, tipprovdi appoġġ tekniku qawwi għal dan. It-tim ta 'riċerka mmexxi mill-Professur Cui Yi mill-Università ta' Stanford u l-SLAC National Accelerator Laboratory direttament taħt id-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti, kif ukoll ir-rebbieħ Nobel Steven Chu fl-1997, qabad l-ewwel immaġni ta 'dendriti tal-metall tal-litju ta' livell atomiku bl-użu ta 'mikroskopija elettronika krijo ( krijo EM). Is-sejbiet tar-riċerka ġew ippubblikati fil-ġurnal akkademiku internazzjonali Science fis-27 ta’ Ottubru ħin lokali.
Kull dendrite tal-metall tal-litju huwa kristall eżagonali twil, iffurmat perfettament. Preċedentement, kristalli b'forma irregolari biss kienu osservati permezz tal-mikroskopija elettronika. Cui Yi qal, "Ir-riżultati tar-riċerka huma eċċitanti ħafna u fetħu era ġdida għal riċerka relatata!"

Mikroskopju Cryoelectron, kif jissuġġerixxi l-isem, huwa teknika mikroskopika li tuża krijofissazzjoni biex tosserva kampjuni f'temperaturi baxxi bl-użu ta 'Mikroskopju Elettron tat-Trażmissjoni (TEM). Il-mikroskopija krijoelettronika hija metodu importanti ta 'riċerka tal-bijoloġija strutturali u mezz kruċjali biex tinkiseb l-istruttura tal-bijomolekuli.

Minħabba li l-immaġini huma ċ-ċavetta biex nifhmu l-mekkaniżmi, skoperti xjentifiċi ħafna drabi jiddependu fuq l-użu tal-għajn biex tinkiseb b'suċċess l-immaġni viżwali tal-mira. Għal żmien twil, kien maħsub li TEM mhuwiex adattat għall-osservazzjoni tal-bijomolekuli minħabba li raġġi ta 'elettroni qawwija jistgħu jagħmlu ħsara lill-materjali bijoloġiċi. Madankollu, it-tfaċċar tal-mikroskopija krijoelettronika ppermettiet lir-riċerkaturi "jiffriżaw" bijomolekuli u josservaw u janalizzaw il-proċessi tal-moviment tagħhom mingħajr preċedent. Dawn il-karatterizzazzjonijiet għandhom impatt deċiżiv fuq il-fehim tal-bijokimika u l-iżvilupp tal-farmakoloġija. Għalhekk, il-mikroskopija krijoelettronika se tkun inkluża wkoll fil-Premju Nobel fil-Kimika ta’ din is-sena.
Għal materjali bħall-litju, mhuwiex possibbli wkoll li tuża mikroskopju elettroniku ta 'projezzjoni biex tara r-riżultati fil-livell atomiku tad-dendriti. Simili għall-bijomaterjali, meta tuża TEM f'temperatura tal-kamra, it-truf tad-dendriti se jdawwar jew saħansitra jdub minħabba l-impatt tar-raġġ ta 'elettroni. Yanbin Li, student tad-dottorat mill-Università ta 'Stanford li pparteċipa f'dan ix-xogħol, qal, "Il-preparazzjoni ta' kampjuni ta 'mikroskopija elettronika ta' trażmissjoni ssir fl-arja, iżda l-metall tal-litju malajr jissaddad fl-arja." "Kull meta nippruvaw nosservaw il-metall tal-litju taħt mikroskopju elettroniku ta 'qawwa għolja, l-elettroni se "joqogħdu toqob" fid-dendriti u saħansitra jdubuh kompletament."
Yanbin Li, student tal-PhD mill-Università ta 'Stanford li pparteċipa f'dan l-istudju, qal, "Huwa bħal tleqq lenti fuq werqa fid-dawl tax-xemx. Madankollu, jekk tista' tkessaħ il-werqa, din il-problema tissolva faċilment: jekk tiffoka d-dawl. fuq il-werqa, is-sħana tintilef ukoll, u l-werqa ma ssirx ħsara Dan huwa dak li nistgħu niksbu b'mikroskopju cryoelectron, u d-differenza fl-immaġini meta tuża materjali tal-batterija hija ħafna. ovvju."

Għalhekk, il-mikroskopija tal-elettroni krijo mhux biss wasslet għal era ġdida fil-bijokimika, iżda wkoll ippermettiet lix-xjenzati jaraw l-istruttura sħiħa tad-dendriti tal-litju fil-livell atomiku għall-ewwel darba. Ir-riċerkaturi sabu wkoll li d-dendriti f'elettroliti bbażati fuq il-karbonat jikbru f'direzzjoni speċifika f'nanowires ta' kristall wieħed. Xi wħud minnhom jistgħu jesperjenzaw għoqod matul il-proċess ta 'tkabbir, iżda l-istruttura tal-kristall tagħhom tibqa' intatta.

Yuzhangli, student ieħor tad-dottorat tal-Università ta 'Stanford li pparteċipa f'din ir-riċerka, qal li l-maskra tal-wiċċ tal-interface tal-elettroliti solidi (SEI) setgħet tidher ukoll, u żvela wkoll nanostrutturi SEI differenti ffurmati f'elettroliti differenti. Minħabba li l-istess kisi jifforma wkoll fuq l-elettrodu tal-metall meta l-batterija tiġi ċċarġjata u skarikata, il-kontroll tal-ġenerazzjoni u l-istabbiltà tiegħu huwa kruċjali għall-użu effiċjenti tal-batterija.
Billi jużaw cryo EM, ix-xjenzati jistgħu josservaw kif l-elettroni joħorġu mill-atomi fid-dendriti, u b'hekk jiżvelaw il-pożizzjoni tal-atomi individwali. Ix-xjentisti jistgħu saħansitra jkejlu d-distanza bejn l-atomi, u l-ispazjar atomiku jindika b'mod preċiż li huma atomi tal-litju.
L-istqarrija għall-istampa maħruġa minn SLAC turi li taħt il-mikroskopju, ir-riċerkaturi jużaw tekniki differenti biex josservaw il-mod kif l-elettroni jintrefgħu mill-atomi tad-dendrite, u jiżvelaw il-pożizzjoni ta 'atomu wieħed fil-kisja tal-maskra tal-wiċċ tal-kristall u l-interface tal-elettroliti solidu tiegħu. . Meta jżidu kimiċi użati komunement biex itejbu l-prestazzjoni tal-batterija, l-istruttura atomika tal-kisi tal-maskra tal-wiċċ tal-interface tal-elettroliti solidu ssir aktar ordnata, li tgħin biex tispjega għaliex l-addittivi għandhom rwol.
"Aħna eċċitati ħafna. Din hija l-ewwel darba li nistgħu niksbu immaġni dettaljata bħal din ta 'dendriti, u hija wkoll l-ewwel darba li nistgħu naraw in-nanostruttura tas-saff tal-maskra tal-wiċċ tal-interface tal-elettroliti solidi." YanbinLi qal, "Din l-għodda tista 'tgħinna nifhmu r-rwol ta' elettroliti differenti, u għaliex xi elettroliti għandhom effetti aħjar minn oħrajn."
Id-dejta rilevanti osservata minn dawn l-esperimenti tista 'tipprovdi fehim ulterjuri tal-mekkaniżmi ta' ħsara tal-batterija. Għalkemm dan ix-xogħol qed juża metall tal-litju bħala eżempju biex juri l-prattiċità ta 'cryo EM, dan il-metodu jista' jiġi estiż ukoll għal studji oħra li jinvolvu materjali sensittivi għar-raġġ bħal silikon tal-litju jew kubrit. It-tim ta 'riċerka qal ukoll li ppjanaw li jiffokaw fuq aktar fehim tal-proprjetajiet kimiċi u l-istruttura tas-saff tal-maskra tal-wiċċ tal-elettroliti solidi.