可充电锂离子电池为智能手机、电动汽车、太阳能和风能存储以及其他技术提供动力。
它们源自另一种技术——锂金属电池，这种技术尚未得到开发或广泛采用。这是有原因的:虽然锂金属电池的能量可能是锂离子电池的两倍，但它们也有更大的着火甚至爆炸的风险。
现在，加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所的一项研究揭示了一项基本发现，该发现可能会导致更安全的锂金属电池，其性能优于当今的锂离子电池。这项研究今天发表在《自然》杂志上。
金属锂很容易与化学物质发生反应，在正常情况下，当金属放置在电极等表面时，几乎立即形成腐蚀。但加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种防止这种腐蚀的技术，并表明，在没有这种腐蚀的情况下，锂原子聚集成一个令人惊讶的形状——菱形十二面体，一个类似于角色扮演游戏《龙与地下城》中使用的骰子的12面形。
该研究的通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨穆利工程学院化学与生物分子工程助理教授、CNSI成员李玉章说:“关于锂金属的论文有数千篇，大多数对其结构的描述都是定性的，比如‘块状’或‘柱状’。”
“我们惊讶地发现，当我们防止表面腐蚀时，我们看到的不是这些不明确的形状，而是一个与基于金属晶体结构的理论预测相匹配的单一多面体。最终，这项研究使我们能够修改我们对锂金属电池的理解。”
在很小的尺度上，锂离子电池将带正电荷的锂原子储存在包裹在电极上的碳笼状结构中。相反，锂金属电池用金属锂包裹电极。与锂离子电池相比，这种电池在相同的空间内容纳了10倍多的锂，这就是性能和危险都有所提高的原因。
锂涂层的过程是基于一种200多年前的技术，该技术使用电和称为电解质的盐溶液。通常，锂形成带有突出尖刺的微观分支细丝。在电池中，如果两个尖峰交叉，就会导致短路，从而导致爆炸。
对锂的真实形状的揭示——即在没有腐蚀的情况下——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，而不是交错的形式。这一发现也可能对高性能能源技术产生重大影响。
“科学家和工程师们花了20多年的时间研究合成我包括金、铂和银在内的金属，形成纳米立方体、纳米球体和纳米棒等形状。”“现在我们知道了锂的形状，问题是，我们能否调整它，使其形成立方体，可以密集地包装，以提高电池的安全性和性能?”
到目前为止，流行的观点是溶液中电解质的选择决定了锂在表面上形成的形状——结构是块状还是柱状。加州大学洛杉矶分校的研究人员有不同的想法。
该研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校的博士生袁欣桐说:“我们想看看我们是否能如此迅速地沉积锂，以超过导致腐蚀膜的反应。”“这样，我们就有可能看到在没有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，可以比腐蚀形式更快地沉积锂。他们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导致水更猛烈地喷出一样。
然而，需要一种平衡，因为过度加速这个过程会导致同样的导致短路的尖状结构;研究小组通过调整微小电极的形状来解决这个问题。
他们用四种不同的电解质将锂放置在表面上，比较了标准技术和他们的新方法的结果。随着腐蚀，锂形成了四种不同的微观形状。然而，通过他们的无腐蚀过程，他们发现锂在所有四种情况下都形成了极小的十二面体——不超过百万分之二米，或者大约是单个细菌的平均长度。
研究人员能够看到锂的形状，要归功于一种称为冷冻电子显微镜(cryo-EM)的成像技术，该技术通过冷冻样品发射电子，以显示原子水平的细节，同时抑制对样品的破坏。
冷冻电镜技术在生物科学中已经无处不在，用于确定蛋白质和病毒的结构。材料科学的应用正在增长，加州大学洛杉矶分校的研究人员有两个关键优势。
首先，当李还是研究生的时候，他证明了低温电子显微镜可以用来分析锂，锂在室温下暴露在电子束下就会碎裂。其次，该团队在CNSI的纳米机器电子成像中心进行了实验，该中心有几台冷冻电镜仪器，这些仪器已被定制以适应材料研究中使用的样品类型。
“生物学和化学领域之间的交叉授粉正在产生新的想法，”该研究的合著者、成像中心的总经理马修·梅克伦堡(Matthew Mecklenburg)说。“我们正在利用冷冻电镜方法分析小分子、蛋白质和病毒的丰富经验，以新的方式研究对电子束敏感的电池材料。”
李说，沉积锂的新技术仍需要进一步的工作来优化。
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