豐色 發自 凹非寺
今天，一篇關於鋰金屬電池的研究登上Nature封面。
來自加州大學洛杉磯分校（UCLA）的華人團隊，開發了一種防止金屬鋰快速形成腐蝕層的方法。
在該技術下，鋰原子結構會形成一種此前從未被科學家觀測過的形狀：
菱形十二面體。
有點兒像《龍與地下城》遊戲中用到的骰子。
——如此清晰又具體的呈現形式意味著，我們可以改造現有的鋰金屬電池構造，從而降低其爆炸風險，解決目前最擔憂的安全問題。
評價稱，這將可能對高性能能源技術產生重大影響。
具體怎麼說？
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。
前者已廣泛用於我們的手機、電動汽車以及太陽能和風能儲存等場景。
後者的儲存能力是前者的兩倍，但還未得到廣泛開發和採用。一個原因是它有著更大的著火甚至爆炸風險。
具體而言，在微觀尺度上，鋰離子電池將帶正電的鋰原子儲存在覆蓋電極的「籠狀」碳結構中。
相比之下，鋰金屬電池在電極上塗有金屬鋰，通過金屬鋰的腐蝕或叫氧化來產生電能。
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係數也增加——
這主要是指在充電時，我們需要在陽極對鋰金屬進行「重整」，但這一過程受到電池電解質和集電器的影響，導致鋰沉積物的形狀發生不可預測的變化。
比如，它們可能會形成具有突出尖刺的微觀分支細絲，一旦其中兩個尖峰交叉，就會導致短路，那爆炸也就隨之而來了。
在這裡，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。
為此他們開發了一種防腐蝕方法，即用一個比正常規模小得多的電極通電，讓電更快地排出來，來達到上面的目標。
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後，噴水會更有勁兒一樣。
當然，作者表示，整個過程要達到一種平衡，因為如果速度過快也會導致同樣的尖峰結構出現，從而導致短路。
而通過調整微型電極的形狀，就可以解決這個問題。
接下來，他們使用四種不同的電解質將鋰沉積在電極表面上，並用冷凍電鏡進行觀察。
最終，沒有采用該防腐蝕技術的鋰形成了四種不同的微觀形狀：
而採用了的這些樣本，被研究人員觀察到了非常令人驚訝的結果：
所有四種情況下，鋰原子都形成了微小的十二面體結構，它們的長度全都不超過2微米，或者說也就跟細菌的平均直徑差不多。
真實圖像則分別長這樣：
作者表示，之前已有數千篇鋰金屬論文都對其結構進行了研究，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，等於終於看到了一個比較清晰的結構，而這還與基於金屬晶體結構的理論預測相匹配。
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，爆炸的風險就小了很多。
好訊息是，目前在將金、鉑和銀等金屬合成為奈米立方體、奈米球和奈米棒等形狀這一研究領域，相關科學家和工程師們已經進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，能否照著它對現有結構進行調整（讓它形成如上的立方體，並能夠進行密集疊裝），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化學和生物分子工程助理教授Yuzhang Li。他本科畢業於UC柏克萊，博士畢業於史丹佛大學材料科學與工程專業。
通訊作者為UCLA微晶電子衍射（MicroED）技術方面的首席科學家Matthew Mecklenburg。
另外兩位合著者都為華人：
一位是UCLA化學工程博士在讀生Xintong Yuan，她本碩分別畢業於四川大學和天津大學。
另一位也是來自一作Yuzhang Li教授實驗室的學生，名為Bo Liu。
論文地址：
https://www.nature.com/nature/volumes/620/issues/7972
參考連結：
https://phys.org/news/2023-08-true-lithium-revealed.html