今天，一篇關(guān)于鋰金屬電池的研究登上Nature封面。
來自加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的華人團(tuán)隊，開發(fā)了一種防止金屬鋰快速形成腐蝕層的方法。
在該技術(shù)下，鋰原子結(jié)構(gòu)會形成一種此前從未被科學(xué)家觀測過的形狀：
菱形十二面體。
有點兒像《龍與地下城》游戲中用到的骰子。
——如此清晰又具體的呈現(xiàn)形式意味著，我們可以改造現(xiàn)有的鋰金屬電池構(gòu)造，從而降低其爆炸風(fēng)險，解決目前最擔(dān)憂的安全問題。
評價稱，這將可能對高性能能源技術(shù)產(chǎn)生重大影響。
具體怎么說？
首次揭示鋰原子真實形狀
我們知道鋰電池，可分為鋰離子電池和鋰金屬電池。
前者已廣泛用于我們的手機(jī)、電動汽車以及太陽能和風(fēng)能存儲等場景。
后者的存儲能力是前者的兩倍，但還未得到廣泛開發(fā)和采用。一個原因是它有著更大的著火甚至爆炸風(fēng)險。
具體而言，在微觀尺度上，鋰離子電池將帶正電的鋰原子存儲在覆蓋電極的“籠狀”碳結(jié)構(gòu)中。
相比之下，鋰金屬電池在電極上涂有金屬鋰，通過金屬鋰的腐蝕或叫氧化來產(chǎn)生電能。
與鋰離子電池相比，它在相同的空間中容納的鋰多了10倍，性能提升的同時危險系數(shù)也增加——
這主要是指在充電時，我們需要在陽極對鋰金屬進(jìn)行“重整”，但這一過程受到電池電解質(zhì)和集電器的影響，導(dǎo)致鋰沉積物的形狀發(fā)生不可預(yù)測的變化。
比如，它們可能會形成具有突出尖刺的微觀分支細(xì)絲，一旦其中兩個尖峰交叉，就會導(dǎo)致短路，那爆炸也就隨之而來了。
在這里，研究人員想要找到一種趕在腐蝕層形成之前完成沉積鋰的方法，以便觀察在沒有這一層薄膜的情況下，鋰是如何生長的。
為此他們開發(fā)了一種防腐蝕方法，即用一個比正常規(guī)模小得多的電極通電，讓電更快地排出來，來達(dá)到上面的目標(biāo)。
舉個例子，這這個方法的原理就像我們澆水時把軟管噴嘴用手指堵住一部分后，噴水會更有勁兒一樣。
當(dāng)然，作者表示，整個過程要達(dá)到一種平衡，因為如果速度過快也會導(dǎo)致同樣的尖峰結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，從而導(dǎo)致短路。
而通過調(diào)整微型電極的形狀，就可以解決這個問題。
接下來，他們使用四種不同的電解質(zhì)將鋰沉積在電極表面上，并用冷凍電鏡進(jìn)行觀察。
而采用了的這些樣本，被研究人員觀察到了非常令人驚訝的結(jié)果：
所有四種情況下，鋰原子都形成了微小的十二面體結(jié)構(gòu)，它們的長度全都不超過2微米，或者說也就跟細(xì)菌的平均直徑差不多。
真實圖像則分別長這樣：
作者表示，之前已有數(shù)千篇鋰金屬論文都對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，但最終得到的都是一些模糊的描述，比如“塊狀”或“柱狀”。
他們這項成果，等于終于看到了一個比較清晰的結(jié)構(gòu)，而這還與基于金屬晶體結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測相匹配。
這意味著鋰原子是以有序而不是縱橫交錯、亂七八糟的形式疊在一起，這樣，爆炸的風(fēng)險就小了很多。
好消息是，目前在將金、鉑和銀等金屬合成為納米立方體、納米球和納米棒等形狀這一研究領(lǐng)域，相關(guān)科學(xué)家和工程師們已經(jīng)進(jìn)行了二十多年的研究。
因此，接下來的問題就變成了：
我們知道了鋰金屬電池中的安全形狀，能否照著它對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整（讓它形成如上的立方體，并能夠進(jìn)行密集疊裝），最終提高這類電池的安全性和性能呢？
作者介紹
本文一作為UCLA化學(xué)和生物分子工程助理教授Yuzhang Li。他本科畢業(yè)于UC伯克利，博士畢業(yè)于斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)。
通訊作者為UCLA微晶電子衍射（MicroED）技術(shù)方面的首席科學(xué)家Matthew Mecklenburg。
另外兩位合著者都為華人：
一位是UCLA化學(xué)工程博士在讀生Xintong Yuan，她本碩分別畢業(yè)于四川大學(xué)和天津大學(xué)。
另一位也是來自一作Yuzhang Li教授實驗室的學(xué)生，名為Bo Liu。
原標(biāo)題：鋰電池防炸成果登Nature封面，UCLA華人團(tuán)隊出品
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