Истинная форма лития впервые раскрыта в исследованиях Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе

Литий-ионные аккумуляторы питают смартфоны, электромобили, а также позволяют хранить солнечную и ветровую энергию, а также использовать другие технологии.

Они произошли от другой технологии — литий-металлической батареи, которая не получила широкого развития и не получила широкого распространения. Для этого есть причина: хотя литий-металлические батареи способны удерживать примерно вдвое больше энергии, чем литий-ионные, они также представляют гораздо больший риск возгорания или даже взрыва.

Теперь исследование, проведенное членами Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, выявило фундаментальное открытие, которое может привести к созданию более безопасных литий-металлических батарей, которые превосходят сегодняшние литий-ионные батареи.Исследование было опубликованов журнале Nature.

Металлический литий настолько легко реагирует с химическими веществами, что в нормальных условиях коррозия образуется почти сразу же, когда металл укладывается на поверхность, например, на электрод. Но исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали метод, который предотвращает эту коррозию, и показали, что в его отсутствие атомы лития собираются в удивительную форму — ромбический додекаэдр, 12-гранную фигуру, похожую на игральные кости, используемые в ролевых играх, таких как «Подземелья и драконы». .

«Существуют тысячи статей о металлическом литии, и большинство описаний структуры носят качественный характер, например, «коренастый» или «столбчатый», — сказал Юйчжан Ли, автор-корреспондент исследования, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Инженерная школа Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и член CNSI. «Для нас было удивительно обнаружить, что, когда мы предотвратили поверхностную коррозию, вместо этих нечетких форм мы увидели особый многогранник, который соответствует теоретическим предсказаниям, основанным на кристаллической структуре металла. В конечном счете, это исследование позволяет нам пересмотреть наше понимание литий-металлических батарей».

В крошечных масштабах литий-ионная батарея хранит положительно заряженные атомы лития в клеточной структуре углерода, покрывающей электрод. Напротив, литий-металлическая батарея вместо этого покрывает электрод металлическим литием. Это позволяет разместить в том же пространстве в 10 раз больше лития по сравнению с литий-ионными батареями, что приводит к увеличению как производительности, так и опасности.

Процесс нанесения литиевого покрытия основан на технологии, которой более 200 лет, в которой используются электричество и растворы солей, называемые электролитами. Часто литий образует микроскопические ветвящиеся нити с выступающими шипами. В батарее, если два из этих шипов перекрещиваются, это может вызвать короткое замыкание, которое может привести к взрыву.

Открытие истинной формы лития, то есть отсутствия коррозии, предполагает, что риск взрыва литий-металлических батарей можно снизить, поскольку атомы накапливаются в упорядоченной форме, а не в форме, которая может перекрещиваться. Это открытие также может иметь существенное значение для высокоэффективных энергетических технологий.

«Ученые и инженеры провели более двух десятилетий исследований по синтезу металлов, включая золото, платину и серебро, в такие формы, как нанокубы, наносферы и наностержни», — сказал Ли. «Теперь, когда мы знаем форму лития, вопрос в том, можем ли мы настроить его так, чтобы он образовывал кубики, которые можно было бы плотно упаковать, чтобы повысить как безопасность, так и производительность батарей?»

До сих пор преобладала точка зрения, что выбор электролитов в растворе определяет форму, которую литий образует на поверхности — напоминает ли структура куски или столбцы. У исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе была другая идея.

«Мы хотели посмотреть, сможем ли мы осаждать литий так быстро, чтобы опередить реакцию, вызывающую коррозионную пленку», — сказал аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Синьтун Юань, первый автор исследования. «Таким образом, мы потенциально сможем увидеть, как литий будет расти в отсутствие этой пленки».

Исследователи разработали новую методику осаждения лития быстрее, чем образуется коррозия. Они пропустили ток через гораздо меньший по размеру электрод, чтобы быстрее выталкивать электричество — примерно так же, как частичная блокировка насадки садового шланга заставляет воду выбрасываться с большей силой.