Teadlased on avastanud liitiumioonakude sagedaste plahvatuste põhjuse!

Kaasaskantavate elektroonikaseadmete ja elektrisõidukite kiire arenguga ei taotle inimesed mitte ainult liitiumakude suuremat võimsust ja kiiremat laadimis- ja tühjenduskiirust, vaid tunnevad ka rohkem muret selle pärast, kuidas tagada liitiumakude kasutamise ohutus. Aeg-ajalt juhtuvate juhtumite, näiteks liitiumaku plahvatuste tõttu on inimese närvid paratamatult pinges. Liitiumakude ohutusküsimuste lahendamise eelduseks on teadlastel põhjalik ja igakülgne arusaam liitiumakude plahvatuste põhjustest.

Praegune teaduslik seletus on see, et liitiumi sadestumine elektroodi pinnale moodustab dendriite, mis kasvavad edasi, põhjustades akus sisemisi lühiseid, mis põhjustavad aku rikke või võimaliku tuleohu. Kuid varem puudusid tõhusad tehnilised vahendid, et mõista ja uurida aatomistruktuuri vaatenurgast ning seejärel leida probleemidele lahendusi.
Sel kuul 2017. aasta Nobeli keemiaauhinna võitnud krüo-EM-tehnoloogia pakub selleks tugevat tehnilist tuge. Uurimisrühm, mida juhtis Stanfordi ülikooli professor Cui Yi ja otse USA energeetikaministeeriumi alluvuses oleva SLAC-i riikliku kiirendi labor, ning 1997. aastal Nobeli preemia laureaat Steven Chu, jäädvustas krüoelektronmikroskoopia abil esimese pildi aatomitasemel liitiummetalldendriitidest ( krüo EM). Uurimistulemused avaldati kohaliku aja järgi 27. oktoobril rahvusvahelises akadeemilises ajakirjas Science.
Iga liitiummetalldendriit on pikk, täiuslikult moodustatud kuusnurkne kristall. Varem vaadeldi elektronmikroskoopia abil ainult ebakorrapärase kujuga kristalle. Cui Yi ütles: "Uurimistulemused on väga põnevad ja avanud uue ajastu seotud uuringute jaoks!"

Krüoelektronmikroskoop, nagu nimigi viitab, on mikroskoopiline tehnika, mis kasutab krüofiksatsiooni, et vaadelda proove madalatel temperatuuridel, kasutades ülekandeelektronmikroskoopi (TEM). Krüoelektronmikroskoopia on oluline struktuuribioloogia uurimismeetod ja ülioluline vahend biomolekulide struktuuri väljaselgitamiseks.

Kuna pildid on mehhanismide mõistmise võti, tuginevad teaduslikud läbimurded sageli palja silma kasutamisele, et saada sihtmärgi visuaalne kujutis. Pikka aega on arvatud, et TEM ei sobi biomolekulide vaatlemiseks, sest võimsad elektronkiired võivad kahjustada bioloogilisi materjale. Krüoelektronmikroskoopia tekkimine on aga võimaldanud teadlastel biomolekule "külmutada" ning nende liikumisprotsesse enneolematult jälgida ja analüüsida. Nendel iseloomustustel on otsustav mõju biokeemia mõistmisele ja farmakoloogia arengule. Seetõttu kuulub krüoelektronmikroskoopia ka tänavuse Nobeli keemiaauhinna hulka.
Selliste materjalide puhul nagu liitium ei ole ka võimalik kasutada projektsioonelektronmikroskoopi, et vaadata tulemusi dendriitide aatomitasandil. Sarnaselt biomaterjalidele kõverduvad TEM-i kasutamisel toatemperatuuril dendriitide servad elektronkiire löögi tõttu või isegi sulavad. Selles töös osalenud Stanfordi ülikooli doktorant Yanbin Li ütles: "Electronmikroskoopiliste proovide ettevalmistamine toimub õhus, kuid liitiummetall korrodeerub õhus kiiresti." "Kui proovime vaadelda liitiummetalli suure võimsusega elektronmikroskoobi all, puurivad elektronid dendriitidesse augud ja isegi sulatavad selle täielikult."
Selles uuringus osalenud Stanfordi ülikooli doktorant Yanbin Li ütles: "See on nagu päikesevalguse käes suurendusklaasi säramine lehele. Kui aga saate lehte jahutada, lahendatakse see probleem lihtsalt: kui te fokuseerite valguse. lehel läheb ka kuumus kaotsi ja leht ei saa kahjustada. Seda saame krüoelektronmikroskoobiga saavutada ja pildistamise erinevus akumaterjalide kasutamisel on väga ilmne.

Niisiis ei juhatanud krüoelektronmikroskoopia mitte ainult uut ajastut biokeemias, vaid võimaldas teadlastel ka esimest korda näha liitiumdendriitide täielikku struktuuri aatomitasandil. Teadlased leidsid ka, et karbonaadipõhistes elektrolüütide dendriidid kasvavad kindlas suunas monokristallilisteks nanojuhtmeteks. Mõnel neist võib kasvuprotsessi käigus tekkida sõlme, kuid nende kristallstruktuur jääb puutumatuks.

Selles uuringus osalenud teine ​​Stanfordi ülikooli doktorant Yuzhangli ütles, et näha oli ka tahke elektrolüüdi liidese näomaski (SEI), ning paljastas ka erinevates elektrolüütides moodustunud SEI nanostruktuurid. Kuna aku laadimisel ja tühjenemisel tekib sama kate ka metallelektroodile, on selle genereerimise ja stabiilsuse juhtimine aku tõhusaks kasutamiseks ülioluline.
Krüo-EM-i abil saavad teadlased jälgida, kuidas elektronid väljuvad dendriitides olevatest aatomitest, paljastades seeläbi üksikute aatomite asukoha. Teadlased saavad isegi mõõta aatomite vahelist kaugust ja aatomivahe näitab täpselt, et tegemist on liitiumiaatomitega.
SLAC-i avaldatud pressiteade näitab, et mikroskoobi all kasutavad teadlased erinevaid tehnikaid, et jälgida, kuidas dendriidi aatomitest elektronid väljutatakse, paljastades üksiku aatomi asukoha kristalli näomaski kattekihis ja selle tahke elektrolüüdi liideses. . Kui nad lisavad aku jõudluse parandamiseks tavaliselt kasutatavaid kemikaale, muutub tahke elektrolüüdi liidese näomaski katte aatomstruktuur korrapärasemaks, mis aitab selgitada, miks lisandid mängivad rolli.
"Oleme väga põnevil. See on esimene kord, kui saame dendriitidest nii üksikasjaliku pildi, ja see on ka esimene kord, kui näeme tahke elektrolüüdi liidese näomaski kihi nanostruktuuri." YanbinLi ütles: "See tööriist aitab meil mõista erinevate elektrolüütide rolli ja seda, miks mõnel elektrolüüdil on parem mõju kui teistel."
Nendest katsetest saadud asjakohased andmed võivad anda täiendava ülevaate aku rikkemehhanismidest. Kuigi selles töös kasutatakse krüo-EM praktilisuse demonstreerimiseks näitena liitiummetalli, võib seda meetodit laiendada ka teistele uuringutele, mis hõlmavad kiirgustundlikke materjale, nagu liitiumräni või väävel. Uurimisrühm ütles ka, et nad kavatsevad keskenduda tahke elektrolüüdi näomaski kihi keemiliste omaduste ja struktuuri paremaks mõistmisele.