ONDERWERPEN:Batterij TechnologieLithium-IonUCLA
Fundamentele ontdekkingen en nieuwe technieken kunnen leiden tot betere, veiligere oplaadbare batterijen.
UCLAonderzoekers hebben een baanbrekende ontdekking gedaan die de veiligheid en efficiëntie van lithium-metaalbatterijen zou kunnen verbeteren.Door corrosie tijdens de afzetting van lithium te voorkomen, ontdekten de onderzoekers dat lithiumatomen een unieke 12-zijdige vorm vormen, waardoor het risico op explosies wordt verminderd.Deze innovatie kan mogelijk een revolutie teweegbrengen in de lithiumbatterijtechnologie, wat leidt tot verbeterde veiligheid en prestaties.
Oplaadbare lithium-ionbatterijen voeden onder meer smartphones, elektrische voertuigen en opslag voor zonne- en windenergie.
Ze stammen af van een andere technologie, de lithium-metaalbatterij, die nog niet zo breed is ontwikkeld of overgenomen.Daar is een reden voor: hoewel lithium-metaalbatterijen het potentieel hebben om ongeveer twee keer zoveel energie vast te houden als lithium-ionbatterijen, vormen ze ook een veel groter risico om in brand te vliegen of zelfs te exploderen.
Revolutionair onderzoek naar lithium-metaalbatterijen
Nu onthult een studie door leden van het California NanoSystems Institute aan de UCLA een fundamentele ontdekking die zou kunnen leiden tot veiligere lithium-metaalbatterijen die beter presteren dan de huidige lithium-ionbatterijen.Het onderzoek is op 2 augustus gepubliceerd in het tijdschriftNatuur.
Metallisch lithium reageert zo gemakkelijk met chemicaliën dat er onder normale omstandigheden bijna onmiddellijk corrosie ontstaat terwijl het metaal op een oppervlak zoals een elektrode wordt gelegd.Maar de UCLA-onderzoekers ontwikkelden een techniek die die corrosie voorkomt en toonden aan dat lithiumatomen zich bij afwezigheid in een verrassende vorm verzamelen - de ruitvormige dodecaëder, een 12-zijdige figuur die lijkt op de dobbelstenen die worden gebruikt in rollenspellen zoals Dungeons and Dragons. .
De structurele aspecten van lithium-metaalbatterijen begrijpen
"Er zijn duizenden artikelen over lithiummetaal en de meeste beschrijvingen van de structuur zijn kwalitatief, zoals 'chunky' of 'kolomachtig'", zegt Yuzhang Li, de corresponderende auteur van de studie, een assistent-professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de UCLA Samueli School of Engineering en een lid van CNSI.“Het was verrassend voor ons om te ontdekken dat toen we oppervlaktecorrosie voorkwamen, in plaats van deze slecht gedefinieerde vormen, we een enkelvoudig veelvlak zagen dat overeenkomt met theoretische voorspellingen op basis van de kristalstructuur van het metaal.Uiteindelijk stelt deze studie ons in staat om te herzien hoe we lithium-metaalbatterijen begrijpen.”
Contrasterende lithium-ion- en lithium-metaalbatterijen
Op kleine schaal slaat een lithium-ionbatterij positief geladen lithiumatomen op in een kooiachtige structuur van koolstof die een elektrode bedekt.Een lithium-metaalbatterij daarentegen bedekt de elektrode met metallisch lithium.Dat verpakt 10 keer meer lithium in dezelfde ruimte in vergelijking met lithium-ionbatterijen, wat zowel de prestaties als het gevaar verhoogt.
Het proces voor het aanbrengen van de lithiumcoating is gebaseerd op een meer dan 200 jaar oude techniek die gebruik maakt van elektriciteit en oplossingen van zouten die elektrolyten worden genoemd.Vaak vormt het lithium microscopisch kleine vertakte filamenten met uitstekende stekels.Als in een batterij twee van die pieken elkaar kruisen, kan dit kortsluiting veroorzaken die tot een explosie kan leiden.
Implicaties van de ontdekking op batterijveiligheid en -prestaties
De onthulling van de ware vorm van lithium - dat wil zeggen, in afwezigheid van corrosie - suggereert dat het explosierisico voor lithium-metaalbatterijen kan worden verminderd, omdat de atomen zich ophopen in een geordende vorm in plaats van een die kriskras kan kruisen.De ontdekking kan ook substantiële implicaties hebben voor hoogwaardige energietechnologie.
"Wetenschappers en ingenieurs hebben meer dan twee decennia aan onderzoek gedaan naar het synthetiseren van metalen, waaronder goud, platina en zilver, tot vormen zoals nanokubussen, nanobolletjes en nanostaafjes," zei Li."Nu we de vorm van lithium kennen, is de vraag: kunnen we het zo afstemmen dat het kubussen vormt, die dicht kunnen worden verpakt om zowel de veiligheid als de prestaties van batterijen te verbeteren?"
Een nieuwe kijk op het lithiumafzettingsproces
Tot nu toe was de heersende opvatting dat de keuze van elektrolyten in oplossing de vorm bepaalt die lithium vormt op een oppervlak - of de structuur nu lijkt op brokken of kolommen.De UCLA-onderzoekers hadden een ander idee.
"We wilden zien of we lithium zo snel konden deponeren dat we de reactie die de corrosiefilm veroorzaakt, overtreffen", zegt UCLA-promovendus Xintong Yuan, de eerste auteur van het onderzoek."Op die manier kunnen we mogelijk zien hoe het lithium wil groeien in afwezigheid van die film."
Verfijning van de lithiumafzettingstechniek
De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe techniek om lithium sneller af te zetten dan corrosievorming.Ze lieten stroom door een veel kleinere elektrode lopen om elektriciteit sneller naar buiten te duwen - net zoals het gedeeltelijk blokkeren van het mondstuk van een tuinslang ervoor zorgt dat water er krachtiger uit schiet.
Er was echter een evenwicht nodig, omdat te veel versnelling van het proces zou leiden tot dezelfde stekelige structuren die kortsluiting veroorzaken;het team loste dat probleem op 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.Met corrosie vormde het lithium vier verschillende microscopisch kleine vormen.Met hun corrosievrije proces ontdekten ze echter dat het lithium in alle vier de gevallen minuscule dodecaëders vormde - niet groter dan 2 miljoenste van een meter, of ongeveer de gemiddelde lengte van een enkele bacterie.
De vorm van lithium ontrafelen met behulp van Cryo-EM
De onderzoekers waren in staat om de vorm van lithium te zien dankzij een beeldvormingstechniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie, of cryo-EM, die elektronen door bevroren monsters straalt om details tot op atomair niveau weer te geven en schade aan de monsters te voorkomen.
Cryo-EM is alomtegenwoordig geworden in de biowetenschappen voor het bepalen van de structuren van eiwitten en virussen.Het gebruik voor materiaalkunde groeit en de UCLA-onderzoekers hadden twee belangrijke voordelen.
Ten eerste, toen Li een afgestudeerde student was, demonstreerde hij dat cryo-EM kan worden gebruikt om lithium te analyseren, dat uiteenvalt wanneer het wordt blootgesteld aan een elektronenstraal bij kamertemperatuur.(Zijn studie werd in 2017 gepubliceerd in het tijdschrift Science.) Ten tweede voerde het team experimenten uit in het Electron Imaging Center for Nanomachines van CNSI, dat de thuisbasis is van verschillende cryo-EM-instrumenten die zijn aangepast aan de soorten monsters die worden gebruikt in materiaalonderzoek. .