Olimlar litiy-ionli batareyalarda tez-tez portlashlar sababini aniqladilar!

Ko'chma elektron qurilmalar va elektr transport vositalarining jadal rivojlanishi bilan odamlar nafaqat lityum batareyalarni katta hajmli va tezroq zaryadlash va tushirish tezligiga intilishadi, balki lityum batareyalardan foydalanish xavfsizligini qanday ta'minlash haqida ham ko'proq tashvishlanadilar. Lityum batareyaning portlashi kabi vaqti-vaqti bilan sodir bo'ladigan hodisalar tufayli odamning asablari muqarrar ravishda taranglashadi. Lityum batareyalar xavfsizligi masalalarini hal qilishning zaruriy sharti olimlar lityum batareyalar portlashining sabablarini to'liq va har tomonlama tushunishdir.

Hozirgi ilmiy tushuntirish shuni ko'rsatadiki, elektrod yuzasida lityum cho'kmasi dendritlarni hosil qiladi, ular o'sishda davom etadi va batareyada ichki qisqa tutashuvlarga olib keladi va batareyaning ishdan chiqishiga yoki potentsial yong'in xavfiga olib keladi. Ammo o‘tmishda atom tuzilishi nuqtai nazaridan tushunish va o‘rganish, keyin esa muammolarga yechim topish uchun samarali texnik vositalar yetishmas edi.
Shu oyda kimyo bo'yicha 2017 yilgi Nobel mukofotini qo'lga kiritgan cryo EM texnologiyasi bunga kuchli texnik yordam beradi. Stenford universiteti professori Cui Yi va toʻgʻridan-toʻgʻri AQSh Energetika vazirligi qoshidagi SLAC Milliy tezlatkich laboratoriyasi hamda 1997-yilda Nobel mukofoti laureati Stiven Chu boshchiligidagi tadqiqot guruhi kriyoelektron mikroskopiya yordamida atom darajasidagi lityum metall dendritlarining birinchi suratini oldi. cryo EM). Tadqiqot natijalari mahalliy vaqt bilan 27 oktyabr kuni Science xalqaro akademik jurnalida chop etildi.
Har bir lityum metall dendrit uzun, mukammal shakllangan olti burchakli kristalldir. Ilgari elektron mikroskop orqali faqat tartibsiz shakldagi kristallar kuzatilar edi. Cui Yi shunday dedi: "Tadqiqot natijalari juda hayajonli va tegishli tadqiqotlar uchun yangi davrni ochdi!"

Krioelektron mikroskop, nomidan ko'rinib turibdiki, transmissiya elektron mikroskopi (TEM) yordamida past haroratlarda namunalarni kuzatish uchun kriyofiksatsiyadan foydalanadigan mikroskopik usuldir. Krioelektron mikroskopiya muhim tarkibiy biologiya tadqiqot usuli va biomolekulalar tuzilishini olishning hal qiluvchi vositasidir.

Tasvirlar mexanizmlarni tushunish uchun kalit bo'lganligi sababli, ilmiy yutuqlar ko'pincha nishonning vizual tasvirini muvaffaqiyatli olish uchun yalang'och ko'zdan foydalanishga tayanadi. Uzoq vaqt davomida TEM biomolekulalarni kuzatish uchun mos emas deb hisoblangan, chunki kuchli elektron nurlar biologik materiallarga zarar etkazishi mumkin. Biroq, krioelektron mikroskopining paydo bo'lishi tadqiqotchilarga biomolekulalarni "muzlatib qo'yish" va ularning harakat jarayonlarini misli ko'rilmagan darajada kuzatish va tahlil qilish imkonini berdi. Bu tavsiflar biokimyoni tushunishga va farmakologiyaning rivojlanishiga hal qiluvchi ta'sir ko'rsatadi. Shu sababli, kriyoelektron mikroskopiya ham bu yilgi kimyo bo'yicha Nobel mukofotiga kiritiladi.
Litiy kabi materiallar uchun dendritlarning atom darajasida natijalarni ko'rish uchun proyeksiyali elektron mikroskopdan foydalanish ham mumkin emas. Biomateriallarga o'xshab, xona haroratida TEM dan foydalanilganda, dendritlarning qirralari elektron nurlar ta'sirida burishadi yoki hatto eriydi. Bu ishda ishtirok etgan Stenford universiteti doktoranti Yanbin Li shunday dedi: "Etkazish elektron mikroskop namunalarini tayyorlash havoda amalga oshiriladi, ammo lityum metall havoda tezda korroziyaga uchraydi". "Biz litiy metalini yuqori quvvatli elektron mikroskop ostida kuzatishga harakat qilsak, elektronlar dendritlarda "teshiklar" ochadi va hatto uni butunlay eritib yuboradi."
Ushbu tadqiqotda qatnashgan Stenford universitetining PhD talabasi Yanbin Li shunday dedi: "Bu quyosh nurida bargni kattalashtiruvchi oynani porlashiga o'xshaydi. Ammo bargni sovutib qo'ysangiz, bu muammo osonlikcha hal bo'ladi: agar siz yorug'likka e'tibor qaratsangiz. bargda issiqlik ham yo'qoladi va barg buzilmaydi, bu biz krioelektron mikroskop bilan erisha olamiz va batareya materiallaridan foydalanganda tasvirlashdagi farq juda katta. aniq."

Shunday qilib, krioelektron mikroskopiya nafaqat biokimyoda yangi davrni boshlab berdi, balki olimlarga birinchi marta atom darajasida litiy dendritlarining to'liq tuzilishini ko'rish imkonini berdi. Tadqiqotchilar, shuningdek, karbonat asosidagi elektrolitlardagi dendritlar ma'lum bir yo'nalishda bitta kristalli nanosimlarga o'sib borishini aniqladilar. Ulardan ba'zilari o'sish jarayonida tugunni boshdan kechirishi mumkin, ammo ularning kristall tuzilishi saqlanib qoladi.

Ushbu tadqiqotda ishtirok etgan yana bir Stenford universiteti doktoranti Yuzhangli, qattiq elektrolitlar interfeysi yuz niqobini (SEI) ham ko'rish mumkinligini aytdi va shuningdek, turli elektrolitlarda hosil bo'lgan turli SEI nanostrukturalarini aniqladi. Batareya zaryadlangan va zaryadsizlanganda bir xil qoplama metall elektrodda ham paydo bo'lganligi sababli, uning ishlab chiqarilishi va barqarorligini nazorat qilish batareyadan samarali foydalanish uchun juda muhimdir.
Krio EM dan foydalangan holda, olimlar elektronlar dendritlardagi atomlardan qanday chiqib ketishini kuzatishi mumkin va shu bilan alohida atomlarning holatini ochib beradi. Olimlar hatto atomlar orasidagi masofani ham o'lchashlari mumkin va atom oralig'i ularning lityum atomlari ekanligini aniq ko'rsatadi.
SLAC tomonidan e'lon qilingan press-reliz shuni ko'rsatadiki, tadqiqotchilar mikroskop ostida dendrit atomlaridan elektronlarning chiqarilishini kuzatish uchun turli usullardan foydalanadilar, bu kristalning yuz niqobi qoplamasi va uning qattiq elektrolitlar interfeysidagi bitta atomning o'rnini ochib beradi. . Batareyaning ishlashini yaxshilash uchun odatda ishlatiladigan kimyoviy moddalarni qo'shganda, qattiq elektrolitlar interfeysi yuz niqobi qoplamasining atom tuzilishi yanada tartibli bo'ladi, bu esa qo'shimchalarning nima uchun rol o'ynashini tushuntirishga yordam beradi.
"Biz juda hayajondamiz. Bu biz birinchi marta dendritlarning bunday batafsil tasvirini olishimiz mumkin, shuningdek, biz qattiq elektrolitlar interfeysi yuz niqobi qatlamining nanostrukturasini birinchi marta ko'rishimiz mumkin." YanbinLi shunday dedi: "Ushbu vosita bizga turli elektrolitlarning rolini tushunishga yordam beradi va nima uchun ba'zi elektrolitlar boshqalarga qaraganda yaxshiroq ta'sir qiladi."
Ushbu tajribalardan kuzatilgan tegishli ma'lumotlar batareyaning ishlamay qolishi mexanizmlarini yanada tushunish imkonini beradi. Garchi bu ish kriyo EM ning amaliyligini ko'rsatish uchun lityum metalldan misol sifatida foydalanilgan bo'lsa-da, bu usul lityum kremniy yoki oltingugurt kabi nurga sezgir materiallarni o'z ichiga olgan boshqa tadqiqotlar uchun ham kengaytirilishi mumkin. Tadqiqot guruhi, shuningdek, qattiq elektrolitli yuz niqobi qatlamining kimyoviy xossalari va tuzilishini ko'proq tushunishga e'tibor qaratishni rejalashtirganliklarini aytdi.