一个菱形十二面体的发现

丰色 发自 凹非寺

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今天，一篇关于锂金属电池的研究登上Nature封面。

来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的华人团队，开发了一种防止金属锂快速形成腐蚀层的方法。

在该技术下，锂原子结构会形成一种此前从未被科学家观测过的形状：

菱形十二面体。

有点儿像《龙与地下城》游戏中用到的骰子。

——如此清晰又具体的呈现形式意味着，我们可以改造现有的锂金属电池构造，从而降低其爆炸风险，解决目前最担忧的安全问题。

评价称，这将可能对高性能能源技术产生重大影响。

具体怎么说？

首次揭示锂原子真实形状

我们知道锂电池，可分为锂离子电池和锂金属电池。

前者已广泛用于我们的手机、电动汽车以及太阳能和风能存储等场景。

后者的存储能力是前者的两倍，但还未得到广泛开发和采用。一个原因是它有着更大的着火甚至爆炸风险。

具体而言，在微观尺度上，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。

相比之下，锂金属电池在电极上涂有金属锂，通过金属锂的腐蚀或叫氧化来产生电能。

与锂离子电池相比，它在相同的空间中容纳的锂多了10倍，性能提升的同时危险系数也增加——

这主要是指在充电时，我们需要在阳极对锂金属进行“重整”，但这一过程受到电池电解质和集电器的影响，导致锂沉积物的形状发生不可预测的变化。

比如，它们可能会形成具有突出尖刺的微观分支细丝，一旦其中两个尖峰交叉，就会导致短路，那爆炸也就随之而来了。

在这里，研究人员想要找到一种赶在腐蚀层形成之前完成沉积锂的方法，以便观察在没有这一层薄膜的情况下，锂是如何生长的。

为此他们开发了一种防腐蚀方法，即用一个比正常规模小得多的电极通电，让电更快地排出来，来达到上面的目标。

举个例子，这这个方法的原理就像我们浇水时把软管喷嘴用手指堵住一部分后，喷水会更有劲儿一样。

当然，作者表示，整个过程要达到一种平衡，因为如果速度过快也会导致同样的尖峰结构出现，从而导致短路。

而通过调整微型电极的形状，就可以解决这个问题。

接下来，他们使用四种不同的电解质将锂沉积在电极表面上，并用冷冻电镜进行观察。

最终，没有采用该防腐蚀技术的锂形成了四种不同的微观形状：

而采用了的这些样本，被研究人员观察到了非常令人惊讶的结果：

所有四种情况下，锂原子都形成了微小的十二面体结构，它们的长度全都不超过2微米，或者说也就跟细菌的平均直径差不多。

真实图像则分别长这样：

作者表示，之前已有数千篇锂金属论文都对其结构进行了研究，但最终得到的都是一些模糊的描述，比如“块状”或“柱状”。

他们这项成果，等于终于看到了一个比较清晰的结构，而这还与基于金属晶体结构的理论预测相匹配。

这意味着锂原子是以有序而不是纵横交错、乱七八糟的形式叠在一起，这样，爆炸的风险就小了很多。

好消息是，目前在将金、铂和银等金属合成为纳米立方体、纳米球和纳米棒等形状这一研究领域，相关科学家和工程师们已经进行了二十多年的研究。

因此，接下来的问题就变成了：

我们知道了锂金属电池中的安全形状，能否照着它对现有结构进行调整（让它形成如上的立方体，并能够进行密集叠装），最终提高这类电池的安全性和性能呢？

作者介绍

本文通讯作者为UCLA化学和生物分子工程助理教授Yuzhang Li。他本科毕业于UC伯克利，博士毕业于斯坦福大学材料科学与工程专业。

另一通讯作者为UCLA微晶电子衍射（MicroED）技术方面的首席科学家Matthew Mecklenburg。

两位一作都为华人：

一位是UCLA化学工程博士在读生Xintong Yuan，她本硕分别毕业于四川大学和天津大学。

另一位是Yuzhang Li教授实验室的学生，名为Bo Liu。

论文地址：
https://www.nature.com/nature/volumes/620/issues/7972
参考链接：
https://phys.org/news/2023-08-true-lithium-revealed.html