Onderwerpen:BatterijtechnologieLithium-IonUCLA
Fundamentele ontdekkingen en nieuwe technieken kunnen leiden tot betere en veiligere oplaadbare batterijen.
UCLAOnderzoekers hebben een baanbrekende ontdekking gedaan die de veiligheid en efficiëntie van lithium-metalen batterijen kan verbeteren.de onderzoekers ontdekten dat lithiumatomen een unieke 12-zijdige vorm vormenDeze innovatie kan een revolutie teweegbrengen in de lithiumbatterijtechnologie, waardoor de veiligheid en de prestaties worden verbeterd.
Oplaadbare lithium-ionbatterijen voorzien onder andere smartphones, elektrische voertuigen en opslag van zonne- en windenergie.
Ze zijn afkomstig van een andere technologie, de lithium-metalen batterij, die niet zo breed is ontwikkeld of toegepast.Terwijl lithium-metalen batterijen ongeveer twee keer zoveel energie kunnen bevatten als lithium-ion batterijen, vormen ze ook een veel groter risico op brand of zelfs explosie.
Revolutionair onderzoek naar lithium-metalen batterijen
Een studie van leden van het California NanoSystems Institute bij UCLA onthult een fundamentele ontdekking die kan leiden tot veiligere lithium-metalen batterijen die beter presteren dan de huidige lithium-ion batterijen.Het onderzoek werd op 2 augustus gepubliceerd in het tijdschriftDe natuur.
Metalen lithium reageert zo gemakkelijk met chemicaliën dat er onder normale omstandigheden bijna onmiddellijk corrosie ontstaat wanneer het metaal op een oppervlak zoals een elektrode wordt gelegd.Maar de UCLA onderzoekers ontwikkelden een techniek die corrosie voorkomt en toonde aan datIn zijn afwezigheid vormen lithiumatomen een verrassende vorm: het rombische dodecaëder, een 12-zijdige figuur vergelijkbaar met de dobbelstenen die worden gebruikt in rollenspellen zoals Dungeons and Dragons.
Inzicht in de structurele aspecten van lithium-metalen batterijen
Er zijn duizenden artikelen over lithiummetaal, en de meeste beschrijvingen van de structuur zijn kwalitatief, zoals chunky of column-like, aldus Yuzhang Li, de correspondente auteur van het onderzoek,een assistent-professor chemische en biomoleculaire techniek aan de UCLA Samueli School of Engineering en lid van het CNSIHet was voor ons verrassend om te ontdekken dat wanneer we oppervlaktecorrosie voorkomen, in plaats van deze slecht gedefinieerde vormen,We zagen een enkelvoudig veelvormige die overeenkomt met de theoretische voorspellingen gebaseerd op de kristalstructuur van het metaalUiteindelijk stelt dit onderzoek ons in staat om ons begrip van lithium-metalen batterijen te herzien.
Het contrast tussen lithium-ion- en lithium-metaalbatterijen
Op kleine schaal slaat een lithium-ionbatterij positief geladen lithiumatomen op in een kooivormige koolstofstructuur die een elektrode bedekt.een lithium-metalen batterij coat de elektrode in plaats daarvan met metaal lithiumDat brengt tien keer meer lithium in dezelfde ruimte in vergelijking met lithium-ion batterijen, wat de toename in prestaties en gevaar veroorzaakt.
Het proces voor het leggen van de lithiumcoating is gebaseerd op een meer dan 200 jaar oude techniek die elektriciteit en oplossingen van zouten die elektrolyten worden genoemd, gebruikt.het lithium vormt microscopische vertakte filamenten met uitsteekende spikesIn een batterij, als twee van die pieken elkaar kruisen, kan het een kortsluiting veroorzaken die kan leiden tot een explosie.
Implicaties van de ontdekking voor de veiligheid en prestaties van batterijen
De onthulling van de werkelijke vorm van lithium, d.w.z. bij afwezigheid van corrosie, suggereert dat het explosiegevaar voor lithium-metalen batterijen kan worden verminderd.omdat de atomen zich ophopen in een geordende vorm in plaats van een die kan kruisenDe ontdekking kan ook aanzienlijke gevolgen hebben voor hoogwaardige energietechnologie.
Wetenschappers en ingenieurs hebben meer dan twee decennia lang onderzoek verricht naar het synthetiseren van metalen, waaronder goud, platina en zilver, in vormen zoals nanokuben, nanosferen en nanorods.Li zei:Nu we de vorm van lithium kennen, is de vraag of we het kunnen afstemmen zodat het kubussen vormt, die dicht in elkaar kunnen worden verpakt om zowel de veiligheid als de prestaties van batterijen te verhogen.
Het afzettingsproces van lithium opnieuw bedenken
Tot nu toe was de overheersende opvatting geweest dat de keuze van elektrolyten in oplossing de vorm bepaalt die lithium op een oppervlak vormt, ongeacht of de structuur lijkt op blokken of kolommen.De onderzoekers van UCLA hadden een ander idee..
"We wilden zien of we lithium zo snel konden deponeren dat we de reactie die de corrosiefilm veroorzaakt, konden versnellen", zegt UCLA-doctorale student Xintong Yuan, de eerste auteur van het onderzoek.We zouden kunnen zien hoe het lithium wil groeien in de afwezigheid van die film.??
Verfijning van de lithiumdepositietechniek
De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe techniek om lithium sneller te laten afzinken dan corrosievormen. They ran current through a much smaller electrode in order to push electricity out faster — much like the way that partially blocking the nozzle of a garden hose causes water to shoot out more forcefully.
Er was echter een evenwicht nodig, omdat het te veel versnellen van het proces zou leiden tot dezelfde spikvormige structuren die kortsluitingen veroorzaken;Het team heeft dat probleem opgelost door de vorm van hun kleine elektrode aan te passen..
Ze legden lithium op oppervlakken met behulp van vier verschillende elektrolyten en vergeleken de resultaten tussen een standaardtechniek en hun nieuwe methode.Het lithium vormde vier verschillende microscopische vormen.Maar met hun corrosievrije proces ontdekten ze dat het lithium minuscule dodecaëders vormde, niet groter dan 2 miljoenste van een meter.of ongeveer de gemiddelde lengte van een enkele bacterie in alle vier de gevallen.
Het ontrafelen van de vorm van lithium met behulp van cryo-EM
De onderzoekers konden de vorm van lithium zien dankzij een beeldvormingstechniek, cryo-elektronenmicroscopie, of cryo-EM.die elektronen door bevroren monsters straalt om details tot op het atoomniveau te tonen en tegelijkertijd schade aan de monsters te voorkomen.
Cryo-EM is alomtegenwoordig geworden in de biowetenschappen voor het bepalen van de structuren van eiwitten en virussen.
Eerst, toen Li een afgestudeerde student was, demonstreerde hij dat cryo-EM kan worden gebruikt om lithium te analyseren, dat in stukken valt wanneer het wordt blootgesteld aan een elektronenstraal bij kamertemperatuur.(Zijn studie werd gepubliceerd in 2017 in het tijdschrift ScienceTen tweede voerde het team experimenten uit in het Electron Imaging Center for Nanomachines van het CNSI.die de thuisbasis is van verschillende cryo-EM-instrumenten die zijn aangepast aan de soorten monsters die worden gebruikt in materiaalonderzoek.