Wetenschappers hebben de oorzaak ontdekt van frequente explosies in lithium-ionbatterijen!

Met de snelle ontwikkeling van draagbare elektronische apparaten en elektrische voertuigen streven mensen niet alleen naar een grotere capaciteit en snellere oplaad- en ontlaadsnelheid van lithiumbatterijen, maar maken ze zich ook meer zorgen over de manier waarop de veiligheid van het gebruik van lithiumbatterijen kan worden gewaarborgd. Als gevolg van incidentele incidenten, zoals explosies van lithiumbatterijen, zijn de zenuwen onvermijdelijk gespannen. De voorwaarde voor het oplossen van de veiligheidsproblemen van lithiumbatterijen is dat wetenschappers een grondig en alomvattend inzicht hebben in de oorzaken van explosies van lithiumbatterijen.

De huidige wetenschappelijke verklaring is dat lithiumafzetting op het elektrodeoppervlak dendrieten zal vormen, die zullen blijven groeien, waardoor interne kortsluitingen in de batterij ontstaan, wat kan leiden tot batterijstoringen of mogelijk brandgevaar. Maar in het verleden was er een gebrek aan effectieve technische middelen om de atomaire structuur te begrijpen en te bestuderen, en vervolgens oplossingen voor problemen te vinden.
De cryo EM-technologie, die deze maand de Nobelprijs voor de Scheikunde 2017 won, biedt hiervoor sterke technische ondersteuning. Het onderzoeksteam onder leiding van professor Cui Yi van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory, direct onder het Amerikaanse ministerie van Energie, en Nobelprijswinnaar Steven Chu in 1997, veroverde het eerste beeld van lithiummetaaldendrieten op atomair niveau met behulp van cryo-elektronenmicroscopie. cryo-EM). De onderzoeksresultaten zijn op 27 oktober lokale tijd gepubliceerd in het internationale wetenschappelijke tijdschrift Science.
Elke lithiummetaaldendriet is een lang, perfect gevormd zeshoekig kristal. Voorheen werden alleen onregelmatig gevormde kristallen waargenomen via elektronenmicroscopie. Cui Yi zei: "De onderzoeksresultaten zijn erg spannend en hebben een nieuw tijdperk geopend voor gerelateerd onderzoek!"

Cryo-elektronenmicroscoop is, zoals de naam al doet vermoeden, een microscopische techniek die gebruik maakt van cryofixatie om monsters bij lage temperaturen te observeren met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). Cryo-elektronenmicroscopie is een belangrijke onderzoeksmethode in de structurele biologie en een cruciaal middel om de structuur van biomoleculen te verkrijgen.

Omdat beelden de sleutel zijn tot het begrijpen van mechanismen, zijn wetenschappelijke doorbraken vaak afhankelijk van het gebruik van het blote oog om met succes een visueel beeld van het doelwit te verkrijgen. Lange tijd werd aangenomen dat TEM niet geschikt is voor het observeren van biomoleculen, omdat krachtige elektronenbundels biologische materialen kunnen beschadigen. De opkomst van cryo-elektronenmicroscopie heeft onderzoekers echter in staat gesteld biomoleculen te ‘bevriezen’ en hun bewegingsprocessen op ongekende wijze te observeren en analyseren. Deze karakteriseringen hebben een beslissende invloed op het begrip van de biochemie en de ontwikkeling van de farmacologie. Daarom zal cryo-elektronenmicroscopie dit jaar ook worden opgenomen in de Nobelprijs voor de Scheikunde.
Voor materialen als lithium is het ook niet mogelijk om met een projectie-elektronenmicroscoop resultaten op atomair niveau van dendrieten te bekijken. Net als bij biomaterialen zullen bij gebruik van TEM bij kamertemperatuur de randen van de dendrieten krullen of zelfs smelten als gevolg van de impact van de elektronenbundel. Yanbin Li, een promovendus van Stanford University die aan dit werk deelnam, zei: "De voorbereiding van transmissie-elektronenmicroscopiemonsters gebeurt in de lucht, maar lithiummetaal zal in de lucht snel corroderen." "Elke keer dat we lithiummetaal proberen te observeren onder een krachtige elektronenmicroscoop, zullen elektronen 'gaten boren' in de dendrieten en deze zelfs volledig laten smelten."
Yanbin Li, een promovendus van Stanford University die aan dit onderzoek deelnam, zei: "Het is alsof je met een vergrootglas op een blad schijnt in zonlicht. Als je het blad echter kunt afkoelen, zal dit probleem gemakkelijk worden opgelost: als je licht focust op het blad gaat ook de warmte verloren en raakt het blad niet beschadigd. Dit is wat we kunnen bereiken met een cryo-elektronenmicroscoop, en het verschil in beeldvorming bij het gebruik van batterijmaterialen is heel duidelijk."

Cryo-elektronenmicroscopie luidde dus niet alleen een nieuw tijdperk in de biochemie in, maar stelde wetenschappers ook in staat voor het eerst de volledige structuur van lithiumdendrieten op atomair niveau te zien. Onderzoekers ontdekten ook dat dendrieten in op carbonaat gebaseerde elektrolyten in een specifieke richting groeien tot nanodraden met één kristal. Sommigen van hen kunnen tijdens het groeiproces knopen ervaren, maar hun kristalstructuur blijft intact.

Yuzhangli, een andere promovendus van Stanford University die aan dit onderzoek deelnam, zei dat het gezichtsmasker met vaste elektrolyteninterface (SEI) ook zichtbaar was, en ook verschillende SEI-nanostructuren onthulde die in verschillende elektrolyten waren gevormd. Omdat dezelfde coating zich ook op de metalen elektrode vormt wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen, is het beheersen van de opwekking en stabiliteit ervan cruciaal voor een efficiënt gebruik van de batterij.
Door cryo-EM te gebruiken kunnen wetenschappers observeren hoe elektronen uit atomen in dendrieten worden uitgestoten, waardoor de positie van individuele atomen wordt onthuld. Wetenschappers kunnen zelfs de afstand tussen atomen meten, en de atomaire afstand geeft precies aan dat het lithiumatomen zijn.
Uit het persbericht van SLAC blijkt dat onderzoekers onder de microscoop verschillende technieken gebruiken om te observeren hoe elektronen uit de atomen van de dendriet worden uitgestoten, waardoor de positie van een enkel atoom in de gezichtsmaskercoating van het kristal en het vaste elektrolytgrensvlak wordt onthuld. . Wanneer ze chemicaliën toevoegen die gewoonlijk worden gebruikt om de prestaties van de batterij te verbeteren, wordt de atomaire structuur van de coating van het vaste elektrolytinterface-gezichtsmasker overzichtelijker, wat zal helpen verklaren waarom additieven een rol spelen.
"We zijn erg enthousiast. Dit is de eerste keer dat we zo'n gedetailleerd beeld van dendrieten kunnen krijgen, en het is ook de eerste keer dat we de nanostructuur van de gezichtsmaskerlaag met vaste elektrolyteninterface kunnen zien." YanbinLi zei: "Deze tool kan ons helpen de rol van verschillende elektrolyten te begrijpen, en waarom sommige elektrolyten betere effecten hebben dan andere."
De relevante gegevens die uit deze experimenten zijn waargenomen, kunnen een beter inzicht verschaffen in de mechanismen voor batterijstoringen. Hoewel dit werk lithiummetaal als voorbeeld gebruikt om de bruikbaarheid van cryo-EM aan te tonen, kan deze methode ook worden uitgebreid naar andere onderzoeken met straalgevoelige materialen zoals lithium-silicium of zwavel. Het onderzoeksteam zei ook dat ze van plan waren zich te concentreren op meer begrip van de chemische eigenschappen en structuur van de vaste elektrolyt-gezichtsmaskerlaag.