Bilim insanları lityum iyon pillerde sık sık yaşanan patlamaların nedenini keşfetti!

Taşınabilir elektronik cihazların ve elektrikli araçların hızla gelişmesiyle birlikte insanlar, lityum pillerin daha büyük kapasitesi ve daha hızlı şarj ve deşarj hızının peşinde koşmakla kalmıyor, aynı zamanda lityum pil kullanımının güvenliğinin nasıl sağlanacağı konusunda da daha fazla endişe duyuyorlar. Zaman zaman lityum pil patlaması gibi olaylar nedeniyle insanın sinirleri ister istemez gergin oluyor. Lityum pillerin güvenlik sorunlarını çözmenin ön koşulu, bilim adamlarının lityum pil patlamalarının nedenleri hakkında kapsamlı ve kapsamlı bir anlayışa sahip olmasıdır.

Mevcut bilimsel açıklama, elektrot yüzeyindeki lityum birikiminin, büyümeye devam ederek pilde dahili kısa devrelere neden olacak ve pil arızasına veya potansiyel yangın tehlikelerine yol açacak dendritler oluşturacağı yönündedir. Ancak geçmişte atomun yapısı perspektifinden anlayıp incelemek ve ardından sorunlara çözüm bulmak için etkili teknik araçların eksikliği vardı.
Bu ay 2017 Nobel Kimya Ödülü'nü kazanan cryo EM teknolojisi bunun için güçlü bir teknik destek sağlıyor. Stanford Üniversitesi'nden Profesör Cui Yi ve doğrudan ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nın yanı sıra 1997'de Nobel ödüllü Steven Chu liderliğindeki araştırma ekibi, kriyo elektron mikroskobu kullanarak atomik düzeyde lityum metal dendritlerin ilk görüntüsünü yakaladı ( kriyo EM). Araştırma bulguları uluslararası akademik dergi Science'da 27 Ekim yerel saatinde yayınlandı.
Her lityum metali dendrit, uzun, mükemmel biçimde oluşturulmuş altıgen bir kristaldir. Daha önce elektron mikroskobunda yalnızca düzensiz şekilli kristaller gözlemleniyordu. Cui Yi, "Araştırma sonuçları çok heyecan verici ve ilgili araştırmalar için yeni bir çağ açtı!" dedi.

Kriyoelektron mikroskobu, adından da anlaşılacağı gibi, Transmisyon Elektron Mikroskobu (TEM) kullanılarak örnekleri düşük sıcaklıklarda gözlemlemek için kriyofiksasyonu kullanan mikroskobik bir tekniktir. Kriyoelektron mikroskobu önemli bir yapısal biyoloji araştırma yöntemidir ve biyomoleküllerin yapısını elde etmenin çok önemli bir yoludur.

Görüntüler mekanizmaları anlamanın anahtarı olduğundan, bilimsel buluşlar genellikle hedefin görsel görüntüsünü başarılı bir şekilde elde etmek için çıplak gözün kullanılmasına dayanır. Uzun süredir, güçlü elektron ışınlarının biyolojik materyallere zarar verebileceği için TEM'in biyomolekülleri gözlemlemek için uygun olmadığına inanılıyordu. Bununla birlikte, kriyo elektron mikroskobunun ortaya çıkışı, araştırmacıların biyomolekülleri "dondurmasına" ve hareket süreçlerini benzeri görülmemiş bir şekilde gözlemleyip analiz etmesine olanak sağladı. Bu karakterizasyonların biyokimyanın anlaşılması ve farmakolojinin gelişimi üzerinde belirleyici bir etkisi vardır. Dolayısıyla bu yılki Nobel Kimya Ödülü'nde kriyo elektron mikroskobu da yer alacak.
Lityum gibi malzemeler için, sonuçları atomik dendrit seviyesinde görüntülemek amacıyla projeksiyon elektron mikroskobu kullanmak da mümkün değildir. Biyomateryallere benzer şekilde, TEM oda sıcaklığında kullanıldığında, dendritlerin kenarları elektron ışınının etkisi nedeniyle kıvrılacak ve hatta eriyecektir. Bu çalışmaya katılan Stanford Üniversitesi'nden doktora öğrencisi Yanbin Li, "Transmisyon elektron mikroskobu örneklerinin hazırlanması havada yapılıyor ancak lityum metali havada hızla paslanıyor" dedi. "Lityum metalini yüksek güçlü bir elektron mikroskobu altında gözlemlemeye çalıştığımızda, elektronlar dendritlerde 'delikler açacak' ve hatta onu tamamen eritecek."
Bu çalışmaya katılan Stanford Üniversitesi'nden doktora öğrencisi Yanbin Li, "Bu, güneş ışığında bir yaprağa büyüteç tutmak gibi bir şey. Ancak yaprağı soğutabilirseniz bu sorun kolayca çözülecektir: eğer ışığa odaklanırsanız" Yaprağın üzerinde ısı da kaybolacak ve yaprak zarar görmeyecek. Kriyoelektron mikroskobuyla bunu başarabiliyoruz ve pil malzemeleri kullanıldığındaki görüntüleme farkı çok açık."

Böylece, kriyo elektron mikroskobu biyokimyada yeni bir çağ açmakla kalmadı, aynı zamanda bilim adamlarının lityum dendritlerin atomik seviyedeki tüm yapısını ilk kez görmesine de olanak sağladı. Araştırmacılar ayrıca karbonat bazlı elektrolitlerdeki dendritlerin belirli bir yönde büyüyerek tek kristal nanotellere dönüştüğünü buldu. Bazıları büyüme sürecinde düğümlenme yaşayabilir ancak kristal yapıları bozulmadan kalır.

Bu araştırmaya katılan bir diğer Stanford Üniversitesi doktora öğrencisi Yuzhangli, katı elektrolit arayüzey yüz maskesinin (SEI) de görülebildiğini, ayrıca farklı elektrolitlerde oluşan farklı SEI nanoyapılarının da ortaya çıkarıldığını söyledi. Pil şarj edilirken ve boşaltılırken aynı kaplama metal elektrot üzerinde de oluştuğundan, pilin verimli kullanımı için üretiminin ve stabilitesinin kontrol edilmesi çok önemlidir.
Bilim adamları, kriyo EM'yi kullanarak elektronların dendritlerdeki atomlardan nasıl çıktığını gözlemleyebilir ve böylece bireysel atomların konumunu ortaya çıkarabilir. Bilim adamları atomlar arasındaki mesafeyi bile ölçebiliyorlar ve atomik aralık bunların lityum atomu olduğunu kesin olarak gösteriyor.
SLAC tarafından yayınlanan basın bülteni, araştırmacıların mikroskop altında elektronların dendrit atomlarından nasıl atıldığını gözlemlemek için farklı teknikler kullandıklarını ve kristalin yüz maskesi kaplamasındaki ve katı elektrolit arayüzündeki tek bir atomun konumunu ortaya çıkardığını gösteriyor. . Pil performansını artırmak için yaygın olarak kullanılan kimyasallar eklendiklerinde, katı elektrolit arayüzlü yüz maskesi kaplamasının atomik yapısı daha düzenli hale geliyor ve bu da katkı maddelerinin neden rol oynadığını açıklamaya yardımcı olacak.
"Çok heyecanlıyız. İlk kez dendritlerin bu kadar ayrıntılı bir görüntüsünü elde edebiliyoruz ve aynı zamanda katı elektrolit arayüz yüz maskesi katmanının nano yapısını da ilk kez görebiliyoruz." YanbinLi, "Bu araç, farklı elektrolitlerin rolünü ve neden bazı elektrolitlerin diğerlerinden daha iyi etkilere sahip olduğunu anlamamıza yardımcı olabilir" dedi.
Bu deneylerden gözlemlenen ilgili veriler, pil arıza mekanizmalarının daha iyi anlaşılmasını sağlayabilir. Her ne kadar bu çalışma, kriyo EM'nin uygulanabilirliğini göstermek için örnek olarak lityum metali kullanıyor olsa da, bu yöntem, lityum silikon veya kükürt gibi ışına duyarlı malzemeleri içeren diğer çalışmalara da genişletilebilir. Araştırma ekibi ayrıca katı elektrolit yüz maskesi katmanının kimyasal özelliklerinin ve yapısının daha iyi anlaşılmasına odaklanmayı planladıklarını da söyledi.