Исследователи борются с коррозией, чтобы впервые выявить истинную форму лития

Заполните форму ниже, и мы вышлем вам по электронной почте PDF-версию статьи «Исследователи борются с коррозией, чтобы впервые выявить истинную форму лития»

Заполните форму ниже, чтобы разблокировать доступ ко ВСЕМ аудиостатьям.

Атомы лития на поверхности естественным образом образуют ромбический додекаэдр – 12-гранную форму, похожую на игральную кость d12 – когда они защищены от коррозии. Это открытие может иметь важные последствия для разработки безопасных литий-металлических батарей, которым до сих пор препятствовал непредсказуемый рост лития, создающий риск возгорания. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Литий-ионные аккумуляторы можно найти практически во всех домах, они питают все: от смартфонов до электромобилей. Они также широко используются в промышленных целях хранения энергии, например, для хранения избыточной энергии, вырабатываемой солнечной и ветровой энергией в часы пик.

Литий-ионные аккумуляторы удерживают энергию, сохраняя положительно заряженные атомы лития в углеродной структуре, напоминающей клетку, которая покрывает электрод. Но до того, как появились литий-ионные аккумуляторы, были литий-металлические аккумуляторы. Вместо углерода литий-металлическая батарея покрывает электрод тонким слоем чистого металлического лития. Это небольшое изменение позволяет разместить в том же пространстве до 10 раз больше лития по сравнению с литий-ионными батареями, что приводит к значительному увеличению производительности.

Но перезаряжаемые литий-металлические батареи также гораздо более опасны. Металлический литий обладает высокой реакционной способностью до такой степени, что коррозия начинает проявляться почти сразу же во время осаждения металла на электрод. Это может привести к образованию микроскопических шипов и ответвлений атомов лития, контакт которых может привести к короткому замыканию.

Включение электролита в литий-металлическую батарею также повлияет на форму, которую принимает этот поверхностный литий, и отчасти именно поэтому литий-металлические батареи по-прежнему считаются безопасными для использования в некоторых отраслях. До сих пор преобладало мнение, что выбор электролита является основным фактором, определяющим, будет ли литий образовывать на поверхности электрода массивную, остроконечную или столбчатую форму.

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

Исследователи разработали новую технику, позволяющую осаждать литий быстрее, чем традиционные методы. Пропуская ток через электрод гораздо меньшего размера, исследователи смогли эффективно пропускать электричество быстрее и ускорить процесс осаждения – аналогично тому, как вода, проталкиваемая через частично заблокированный шланг, вырывается с большей силой.

Этот метод использовался для нанесения металлического лития с использованием четырех различных электролитов, при этом форма отложений лития анализировалась с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ). Наблюдаемые формы сравнивались с дополнительными образцами, изготовленными в аналогичных условиях, но с использованием более традиционной техники осаждения.

Было обнаружено, что новый метод сверхбыстрого осаждения настолько быстр, что опережает естественную коррозию лития.

Подпишитесь на ежедневный информационный бюллетень Technology Networks, чтобы каждый день доставлять последние научные новости прямо на ваш почтовый ящик.

В результате коррозии литий образовал четыре различные микроскопические формы. Но благодаря сверхбыстрому процессу, не требующему коррозии, литий всегда образовывал микромасштабные формы додекаэдра на поверхности электрода. Исследователи говорят, что это, вероятно, отражает «истинную» форму лития в тех случаях, когда ему не разрешено корродировать.

«Существуют тысячи статей о металлическом литии, и большинство описаний структуры носят качественный характер, например, «коренастый» или «столбчатый», — сказал Юйчжан Ли, автор исследования и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Инженерная школа Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.