휴대용 전자 장비 및 전기 자동차의 급속한 발전과 함께, 리튬 배터리 용량, 충전 및 방전 속도를 추구하는 것 외에도 사람들은 리튬 배터리의 폭발로 인해 리튬 배터리의 안전성을 보호하는 방법을 더욱 염려합니다 리튬 배터리의 안전 문제를 해결하는 방법은 과학자들이 가능한 한 리튬 배터리 폭발 원인을 심층적으로 포괄적으로 이해하는 것입니다.
현재의 과학적 설명은 전극 리튬 증착의 표면이 수상 돌기 (Dendrites)를 형성하고 성장을 계속하여 배터리 고장으로 인한 내부 배터리 단락이 발생하거나 화재를 유발할 수 있지만 원자 구조 수준을 이해하고 연구하는 방법, 그리고 나서 문제에 대한 해결책을 찾고, 과거에는 효과적인 기술적 수단이 부족했습니다.
이 달은 강력한 기술 지원을 제공하기 위해 2017 년 노벨 화학상 (cryo-EM) 기술상을 수상했습니다. 스탠포드 대학 (Stanford University)은 SLAC National Accelerator Laboratory 교수 인 Cui Yi 교수가 1997 년 올해의 노벨상 수상자 Zhu Diwen 등 연구팀은 Cryo-EM에 의한 최초의 원자 학년 리튬 금속 수상 돌기의 이미지를 포착했으며 그 결과는 현지 시간 10 월 27 일에 발표되었다 에 대한 국제 학술지 "Science".
화상 표시, 리튬 덴 드라이트의 각각은 금속 육면체, 신장 및 완전 결정이 형성된다. 이전에는 부정형 결정 전자 현미경 거울에 의해 관찰했다. 쿠이이 상기의 연구는 매우이고 흥분뿐만 아니라 연구를위한 새로운 상황을 열어! '
정의에 의해 극저온 전자 현미경 (TEM이라 투과 전자 현미경) 투과형 전자 현미경 저온 시료 관찰하여 냉동 정착 현미경에 적용된다. 극저온 전자 현미경 연구에 중요한 구조 생물학 방법이며, 생물학적 거대 분자를 획득되고 구조의 중요한 수단.
이미지가 메커니즘을 이해하는 열쇠이기 때문에 과학적인 발전은 종종 육안으로 표적의 시각적 개념을 얻는 데 기반을두고 있습니다. 오랫동안 강력한 전자선이 생물학적 물질을 파괴 할 수 있기 때문에 TEM은 생체 분자 관찰에 적합하지 않다고 믿어집니다. 연구진이 전례없는 관찰과 운동 과정의 분석을 가능하게하기 위해 전자 현미경 검사를 통해 생화학의 이해와 약리학의 발전에 결정적인 영향을 미친다. 이러한 이유로 냉동 전자 현미경 검사는 올해 벨 화학은 팔에 통합 될 것입니다.
왼쪽 : 실온에서 TEM 이미지 때문에 공기에 노출 리튬 덴 드라이트 및 부식에 다수의 구멍을 용융 전자빔 위에있는 우측 : 이미지 크라이 EM 환경 냉동 원래 보존 상태는 명확한 인터페이스 결정 나노 와이어가 있음을 나타냅니다.
리튬 및 기타 재료의 경우 돌기 전자 현미경을 사용하여 수지상 원자 수준의 결과를 볼 수 없습니다 .TEM을 실온에서 사용할 경우 생체 재료와 마찬가지로 수상 돌기의 모서리가 말리거나 전자빔 충돌로 녹아 있습니다. 스탠포드 대학 (University of Stanford University)의 박사 과정 학생 인 얀 나 리 (Yan Na Li)는 대기 중에서 투과 전자 현미경 샘플을 준비했지만 리튬 금속은 곧 부식 될 것이라고 말했다. 우리는 고출력 전자 현미경으로 금속을 관찰하려고 할 때마다 리튬이 들어 오면 전자는 수상 돌기에 구멍을 뚫어 완전히 녹입니다.
이 연구에 참여한 스탠포드 박사 과정 학생 인 얀빈 리 (Yanbin Li)는 "햇볕에 돋보기가 달린 나무를 자르는 것과 같지만 잎을 식힐 수 있다면 문제는 해결 될 것입니다 : 당신은 빛을 나뭇잎에 집중시키고, 잃어버린 것입니다, 잎은 파괴되지 않습니다. 이것은 우리가 냉동 전자 현미경을 사용하여 이미지에 배터리 재료의 사용의 효과를 얻을 수있는 것입니다, 그 차이는 매우 분명합니다.
따라서, 그러한 생화학 전자 현미경은 새로운 시대로 동결뿐만 아니라 처음으로 리튬 덴 드라이트 (dendrite)의 원자 수준의 전체 구조를 볼 과학자를 활성화. 연구팀은 또한 수상 돌기 a를 함께 전해질을 카보네이트 발견 단결정 종자 특정 방향 나노 와이어를 성장은. 어떤 경우는 '성장'과정에서 발생 매듭, 그러나 그들의 결정 구조는 그대로 유지됩니다.
이 연구에 참여한 스탠포드 대학 (Stanford University)의 또 다른 연구원은 고체 전해질 계면 (SEI)도 보였고 다른 전해질에서 형성된 다른 SEI 나노 구조가 또한 밝혀졌다. 왜냐하면 배터리가 충전되고 방전 될 때 , 동일한 코팅이 금속 전극 상에 형성 될 것이므로, 배터리의 효율적인 사용을위한 생성 및 안정성을 제어하는 것이 필수적이다.
Cryo-EM을 사용하여 과학자들은 수상 돌기의 원자에서 전자가 어떻게 나오는지 관찰 할 수 있으며 단일 원자의 위치를 나타냅니다 (왼쪽). 과학자들은 원자 간의 거리 (오른쪽 상단)와 원자 간격 그들은 리튬 원자임을 나타냅니다 (오른쪽 아래).
SLAC 표시 보도 자료, 현미경, 연구자 수지상 방법이 개시 원자 결정질 고체 전해질 계면 막으로부터 배출 된 전자를 관찰하기 위해 다른 기술을 사용하고, 개개의 원자의 위치를 피복 할 때 그에 일반적으로 화학 전지의 성능을 개선하는 데에 추가 할 때, 고체 전해질 계면 막 코팅의 원자 구조는 첨가제가 역할을하는 이유를 설명하는 데 도움이되는 것보다 정돈된다.
"우리는 매우 흥분한다. 이것은 상세한 수지상을 처음으로 얻을 수있을뿐만 아니라, 나노 구조의 고체 전해질 계면 층을 처음으로 볼 수있다"라고 Yanbin Li는 말했다. 전해질 중 어떤 효과가 있으며 왜 전해액의 일부는 다른 것보다 낫습니다.
이 실험의 데이터는 배터리 고장의 메커니즘을 더 잘 이해하는 데 사용될 수 있습니다.이 작업은 극저온 전자의 실용성을 입증하기 위해 리튬 금속을 예로 들었지만이 방법은 광 민감성을 포함하도록 확장 될 수도 있습니다 연구진은 실리콘 카바이드 (silicon carbide) 또는 유황과 같은 물질에 대해서도 고체 전해질 계면 층의 화학적 성질과 구조에 대한보다 많은 이해에 중점을 둘 계획이라고 밝혔다.
