加州大学洛杉矶分校首次揭示锂的真实形状

2023-08-04 14:54:29 来源：盖世汽车

锂金属电池具有高储存能量密度，被视为锂离子电池的替代选项，有望为电动汽车和太阳能存储等技术提供动力。然而，这种电池存在起火甚至爆炸风险，目前尚未得到广泛开发或应用。据外媒报道，加州大学洛杉矶分校（UCLA）纳米系统研究所（California NanoSystems Institute）的研究人员获得一项基本发现，有望实现更安全的锂金属电池，使其性能优于目前的锂离子电池。

新方法可将锂金属沉积到表面上，同时避免形成腐蚀层。如果不发生腐蚀，这种金属就会呈现以前从未见过的形状，即一个微小的12边形。（图片来源：加州大学洛杉矶分校）

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锂金属很容易与化学物质发生反应。通常情况下，将这种金属置于电极等表面上，几乎立即就会发生腐蚀。然而，UCLA研究人员开发了一种防腐蚀技术。结果显示，在没有腐蚀的情况下，锂原子会组装成菱形十二面体（一种有12面的图形，类似于《龙与地下城》等游戏中使用的骰子）。

加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院的化学与生物分子工程学助理教授Yuzhang Li表示：“以往对锂金属的结构描述大多是定性的，如‘块状’或‘柱状’。在这项发现中，当研究人员防止表面腐蚀时，看到的不是这些不规则形状，而是一个多面体。这符合基于金属晶体结构的理论预测。最终，这项研究将改变对锂金属电池的理解方式。”

从微观层面上看，锂离子电池将带正电的锂原子存储在覆盖电极的笼状碳结构中。与锂离子电池相比，锂金属电池的电极上涂有金属锂，可在相同的空间内容纳10倍多的锂。这样不仅提高了性能，也可能发生更大的风险。锂涂覆工艺需要使用电力和电解液（盐溶液），通常情况下锂会形成微小的分支细丝，并带有突出的尖刺。在电池中，如果其中的两个尖刺交叉，可能导致短路并发生爆炸。

现在，关于锂真实形状（即在没有腐蚀的情况下）的发现表明，锂金属电池的爆炸风险可以降低，因为原子以有序的形式积聚，而不是纵横交错。这一发现还可能对高性能能源技术产生重大影响。Li表示：“现在我们知道了锂的形状，问题在于能否对其进行调整，使其形成立方体并紧密地聚集在一起，从而提高电池的安全性和性能？”

通过防腐蚀技术，锂原子在表面形成菱形十二面体形状（如上图），下面四张图显示在腐蚀形成条件下出现的不规则形状。（图片来源：加州大学洛杉矶分校）

目前人们普遍认为，溶液中的电解质选项决定了锂在表面上的形状，无论是块状还是柱状结构。然而，加州大学洛杉矶分校的研究人员的想法不同。加州大学洛杉矶分校的博士生Xintong Yuan表示：“研究人员想要了解，是否可以快速沉积锂，以超过导致产生腐蚀膜的反应。这样就有可能看到在没有那层薄膜的情况下锂是如何生长的。”

研究人员开发了一种新技术，使锂的沉积速度超过腐蚀速度。让电流通过一个小得多的电极，以便更快地将电流排出，就像部分堵塞花园软管的喷嘴会导致水更猛烈地喷出一样。当然，这也需要进行平衡，因为过度加速这一过程同样会产生尖刺结构，从而导致短路。该团队通过调整微型电极的形状来解决这个问题。

研究人员使用四种不同的电解质，将锂沉积在表面上，然后对标准技术和这种新方法进行比较。结果显示，在腐蚀过程中，锂会形成四种不同的微观形状。然而，在无腐蚀过程中，在这四种情况下锂都形成了微小的十二面体（不超过百万分之二米，或者大约是单个细菌的平均长度）。

研究人员通过低温电子显微镜（cryo-EM）成像技术来观察锂的形状。该技术通过冷冻样品来发射电子，以显示原子层面的细节，同时防止损坏样品。成像中心负责人Matthew Mecklenburg表示：“研究人员正在以新的方式研究对电子束敏感的电池材料。”

研究人员认为，新锂沉积技术需要进一步优化。

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