Исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали способ нанесения металлического лития на поверхность, избегая при этом обычно образующегося слоя коррозии. Оказалось, что без него металл принимает невиданную ранее форму — крошечную 12-гранную фигуру.
Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы питают смартфоны, электромобили и накопители для солнечной и ветровой энергии. Они появились в результате другой технологии, литий-металлической батареи, которая не стала такой популярной. И на это есть причина. Хотя литий-металлические батареи удерживают примерно в два раза больше энергии, чем литий-ионные, они легче загораются или даже взрываются.
Теперь сотрудники Института наносистем в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса сделали фундаментальное открытие, которое приведет к разработке более безопасных литий-металлических батарей. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Рендеринг формы ромбического додекаэдра, которую атомы лития сформировали на поверхности с помощью метода исследователей для предотвращения коррозии, сверху, с четырьмя иллюстрациями (средний, нижний ряды), показывающими неправильные формы, которые появлялись в условиях, когда образовалась коррозия. Иллюстрация: Li Lab/UCLA
Металлический литий так легко реагирует с химическими веществами, что, при нормальных условиях, коррозия образуется почти сразу, когда металл укладывают на электроды. Но инженеры разработали метод, который предотвращает ее появление. Оказалось, что в отсутствии коррозии, атомы лития собираются в удивительную форму — ромбододекаэдр, 12-стороннюю фигуру, похожую на игральные кости.
«Когда мы предотвратили поверхностную коррозию, мы увидели многогранник, который соответствует теоретическим предсказаниям, основанным на кристаллической структуре металла. И, конечно, это исследование заставило нас пересмотреть то, как мы понимаем литий-металлические батареи», — заявил Юйчжан Ли, автор-корреспондент исследования, доцент химической и биомолекулярной инженерии в Школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Литий-ионная батарея хранит положительно заряженные атомы лития в клетчатой структуре углерода, которая покрывает электрод. Напротив, литий-металлическая батарея покрывает электрод металлическим литием. Это позволяет упаковать в 10 раз больше лития в одно и то же пространство по сравнению с литий-ионными батареям. Это объясняет рост как производительности, так и опасности.
Процесс укладки литиевого покрытия основан на более чем 200-летнем методе, который использует электричество и растворы электролитов. Часто литий образует микроскопические нити с выступающими шипами. Если два из этих шипов пересекаются в батарее, это может вызвать короткое замыкание, которое приводит к взрыву.
Открытие истинной формы лития в отсутствие коррозии предполагает, что риск взрыва литий-металлических батарей можно ослабить. Все благодаря тому, что атомы накапливаются в упорядоченных формах.
