電池爆炸原因揭秘
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-20 16:02
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隨著便攜式電子設(shè)備及電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，人們除了追求鋰電池的容量更大、充放電速度更快外，更為關(guān)心的是如何保障鋰電池使用的安全性。因?yàn)闀r(shí)不時(shí)發(fā)生的鋰電池爆炸等事件，免不得讓人神經(jīng)緊繃。如何解決鋰電池安全性問題的前提是，科學(xué)家盡可能深入和全面地了解鋰電池爆炸的原因。
目前科學(xué)層面的解釋是電極表面鋰沉積會(huì)形成“枝晶”（dendrites），而且它會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)，從而造成電池內(nèi)部短路引起電池故障或可能引發(fā)火災(zāi)。但如何從原子結(jié)構(gòu)層面去認(rèn)識(shí)和研究，進(jìn)而去找出解決問題的方案，在過去缺少有效的技術(shù)手段。
本月剛剛斬獲2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）技術(shù)，就為此提供了有力的技術(shù)支撐。斯坦福大學(xué)、美國(guó)能源部直屬的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的教授崔屹、1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主朱棣文等人的研究團(tuán)隊(duì)，就通過冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）捕捉到了首張?jiān)蛹?jí)鋰金屬枝晶的圖像。該研究成果已于當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月27日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science》上。
每個(gè)鋰金屬枝晶是一個(gè)長(zhǎng)條狀，且成型完美的六面晶體。而此前通過電子顯微鏡鏡觀察到的只是不規(guī)則形狀的晶體。崔屹稱，“研究成果非常令人激動(dòng)，也為相關(guān)研究打開了全新的局面！”
冷凍電子顯微鏡，顧名思義就是應(yīng)用冷凍固定術(shù)，在低溫下使用透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡(jiǎn)稱TEM）觀察樣品的顯微技術(shù)。冷凍電子顯微鏡是重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方法，是獲得生物大分子結(jié)構(gòu)的重要手段。
因?yàn)閳D像是理解機(jī)制的關(guān)鍵，科學(xué)的突破往往建立在采用肉眼對(duì)目標(biāo)成功獲取其視覺構(gòu)像。長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為TEM不適合觀察生物分子，因?yàn)閺?qiáng)大的電子束會(huì)破壞生物材料。然而，冷凍電鏡的產(chǎn)生，讓研究者能將生物分子“凍起來”，前所未有地觀察分析運(yùn)動(dòng)過程，這些表征對(duì)于生命化學(xué)的理解和藥物學(xué)的發(fā)展都有決定性影響。正因如此，冷凍電鏡也將今年諾貝爾化學(xué)將納入麾下。
在室溫下的TEM圖像中，鋰的枝晶因暴露在空氣中而被腐蝕，電子束也在上面熔出大量孔洞；右圖：cryo-EM下的圖像，冷凍環(huán)境保存了其原來的狀態(tài)，表明其有明確界面的晶體納米線。
對(duì)于鋰等材料來說也一樣，無法使用投射電子顯微鏡來查看枝晶原子級(jí)別的結(jié)果。和生物材料類似，當(dāng)在室溫下使用TEM時(shí)，通過電子束撞擊，枝晶邊緣會(huì)卷曲甚至熔化。參與此次工作的斯坦福大學(xué)的博士生Yanbin Li稱，“透射電鏡樣品的制備是在空氣中進(jìn)行的，但鋰金屬在空氣中將很快被腐蝕”，“每當(dāng)我們?cè)囍酶弑峨娮语@微鏡觀察金屬鋰時(shí)，電子就會(huì)在枝晶中‘鉆洞’，甚至把它完全熔化。”
參與此項(xiàng)研究的斯坦福大學(xué)博士生Yanbin Li 稱，“這就像在陽光下用放大鏡照樹葉一樣。但是，如果你能把葉子冷卻的話，這個(gè)問題將迎刃而解：你把光聚焦在葉子上，熱量同樣會(huì)散失，葉子也不會(huì)受到破壞。這就是我們用冷凍電子顯微鏡所能實(shí)現(xiàn)的效果，用到電池材料的成像上，差異非常明顯。”
所以，冷凍電子顯微鏡不僅使得生物化學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，而且還使科學(xué)家首次在原子級(jí)別看到了鋰枝晶的完整結(jié)構(gòu)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在碳酸鹽基電解質(zhì)中的枝晶沿著一種特定方向生長(zhǎng)為單晶納米線。其中一些會(huì)在“生長(zhǎng)”過程中出現(xiàn)打結(jié)的情況，但它們的晶體結(jié)構(gòu)仍然完整的。
另一位參與此項(xiàng)研究的斯坦福大學(xué)博士生yuzhang li稱，還能看到固體電解質(zhì)界面膜（SEI），同時(shí)還揭示了在不同電解質(zhì)中形成的不同的SEI納米結(jié)構(gòu)。因?yàn)楫?dāng)電池充電和放電時(shí)，同樣的涂層也會(huì)在金屬電極上形成，所以控制它的產(chǎn)生和穩(wěn)定對(duì)于電池的高效利用至關(guān)重要。
