可充电锂离子电池为智能手机、电动汽车以及可再生能源的存储等技术提供了动力。
锂离子电池的前身是锂金属电池，后者尚未得到充分开发和广泛应用。这是有原因的：尽管锂金属电池的能量密度可能是锂离子电池的两倍，但其着火和爆炸的风险也更高。
最近，加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所的研究揭示了一项重要发现，可能会推动更安全的锂金属电池的开发，其性能有望超越现有的锂离子电池。这项研究的成果已在《自然》杂志上发表。
金属锂在常规条件下容易与化学物质反应，通常在电极等表面上几乎立即形成腐蚀层。然而，研究团队开发了一种新技术，能够有效防止这种腐蚀，结果发现锂原子在无腐蚀的情况下聚集成一种意想不到的形状——菱形十二面体，这种形状与角色扮演游戏《龙与地下城》中使用的骰子相似。
该研究的通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨穆利工程学院的助理教授李玉章表示：“关于锂金属的研究文献数以千计，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，观察到的不是模糊的形状，而是一个与金属晶体结构理论预测相符的单一多面体。这项研究使我们能够重新审视对锂金属电池的理解。”
在微观层面上，锂离子电池将带正电的锂原子储存在包裹在电极上的碳笼结构中。而锂金属电池则直接用金属锂包裹电极。这种电池在相同体积内能够容纳超过十倍的锂，从而提升了性能，但也增加了风险。
锂的涂层过程基于一种已有200多年历史的技术，利用电流和电解质盐溶液。通常情况下，锂会形成带有尖刺的微观分支结构。在电池中，如果这些尖刺交叉，就可能导致短路和爆炸。
对锂真实形态的揭示——即在无腐蚀的情况下——表明锂金属电池的爆炸风险可能降低，因为原子以有序的方式聚集，而不是交错的形式。这一发现可能对高性能能源技术产生深远影响。
“科学家和工程师们花费了20多年时间研究合成包括金、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。”李教授表示，“现在我们了解了锂的形状，接下来的问题是，能否调整锂的形态，使其形成立方体，以便更紧密地包装，从而提高电池的安全性和性能？”
迄今为止，普遍认为电解质的选择决定了锂在表面上形成的形状——是块状还是柱状。然而，加州大学洛杉矶分校的研究人员对此有不同的看法。
该研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校的博士生袁欣桐表示：“我们想探究是否能够快速沉积锂，以超越导致腐蚀膜形成的反应。这样，我们就能观察到在没有薄膜的情况下锂的生长方式。”
研究团队开发了一种新技术，能够比腐蚀过程更快地沉积锂。他们通过一个更小的电极让电流流动，从而加速电流的排出——就像部分堵塞的花园软管喷嘴使水流更猛烈一样。
然而，这一过程需要平衡，因为过快的沉积会导致同样的尖刺结构，从而引发短路；研究小组通过调整微小电极的形状来解决这一问题。
他们使用四种不同的电解质将锂沉积在表面上，并比较了标准技术与新方法的结果。随着腐蚀的发生，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，尺寸不超过百万分之二米，约为单个细菌的平均长度。
研究人员能够观察到锂的形状，得益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，以显示原子级别的细节，同时减少对样品的损害。
冷冻电镜技术在生物科学中已被广泛应用，用于确定蛋白质和病毒的结构，而在材料科学中的应用也在不断增长。加州大学洛杉矶分校的研究团队在这方面具有两个关键优势。
首先，李教授在研究生阶段就证明了低温电子显微镜可以用于分析锂，因为锂在室温下暴露于电子束时会破裂。其次，该团队在CNSI的纳米机器电子成像中心进行实验，该中心配备了多台冷冻电镜，这些仪器已根据材料研究的样品类型进行了定制。
“生物学与化学领域的交叉合作正在催生新的想法，”该研究的合著者、成像中心的总经理马修·梅克伦堡表示。“我们正在利用冷冻电镜技术分析小分子、蛋白质和病毒的丰富经验，以全新的方式研究对电子束敏感的电池材料。”
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希望本篇文章《揭示锂的真实外观初次曝光》能对你有所帮助！
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