Как это неоднократно бывает, учёные в своей работе, занимаясь одним делом, совершенно случайно могут сделать открытие из совсем другой области!
Как известно, почти все твёрдые вещества, в том числе и металлы, имеют кристаллическую структуру, отчего при отверждении из жидкой фазы или при осаждении из растворов они могут принимать причудливые формы кристаллов, которая обусловлена как раз такой формой кристаллической решётки атомов. Однако, наблюдать такие причудливые формы не всегда получается, то есть, по разным причинам, материал не образует кристаллов той формы, которая предсказывается теоретически на основе структуры его кристаллической решётки. Одним из таких материалов является металлический литий.
Исследование, проведенное членами Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, привело к фундаментальному открытию, а именно к подтверждению теоретически известной формы кристаллов лития, что может позволить создавать более безопасные литий-металлические батареи. Это самый первый вариант литиевых аккумуляторов, который превосходят современные литий-ионные батареи, однако это была скорее бомба, чем аккумулятор. Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Металлический литий очень активный, он так легко вступает в реакцию с самыми разными химическими веществами, что при нормальных условиях коррозия возникает почти сразу, когда металл ложится на какую-либо поверхность, например электрод. Современный литий-ионный аккумулятор хранит положительно заряженные атомы лития в клеточной структуре углерода, которая покрывает электрод. Так предотвращается сама возможность каких-либо нежелательных химических реакций. А в литий-металлической батарея вместо этого металлический литий осаждается на электроде. Это в 10 раз больше лития в том же пространстве по сравнению с литий-ионными батареями.Это гораздо более производительнее, однако и гораздо опаснее. Литий образует микроскопические ветвящиеся нити - дендриты. Если эти дендриты от разных электродов соединяются, это может вызвать короткое замыкание, которое может привести к взрыву.
Исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали метод предотвращения коррозии лития, и с удивлением обнаружили, что в без коррозии атомы лития собираются в удивительную форму — ромбический додекаэдр, 12-гранную фигуру, которая как раз и была предсказана, как форма кристаллов лития исходя из структуры его кристаллической решётки.
«Есть тысячи статей о металлическом литии, и большинство описаний структуры носят качественный характер, например, «коренастый» или «столбчатый», — сказал Юйчжан Ли, автор исследования, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Инженерная школа Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и член CNSI.
«Для нас было неожиданностью обнаружить, что, когда мы предотвратили поверхностную коррозию, вместо этих нечетких форм мы увидели особый многогранник, который соответствует теоретическим предсказаниям, основанным на кристаллической структуре металла. В конечном счете, это исследование позволяет нам пересмотреть то, как мы понимаем литий-металлические батареи».
Это открытие, как полагают учёные, может способствовать созданию безопасных литий-металлических аккумуляторов, так как за счёт образования таких кристаллов можно заставить литий осаждаться на электроде в упорядоченном виде, без образования дендритов. «Ученые и инженеры провели более двух десятилетий исследований по синтезу металлов, включая золото, платину и серебро, в такие формы, как нанокубы, наносферы и наностержни», — сказал Ли. «Теперь, когда мы знаем форму лития, возникает вопрос: можем ли мы настроить его так, чтобы он формировал кубы, которые можно было бы плотно упаковать, чтобы повысить как безопасность, так и производительность батарей?»
Этот неожиданный результат был получен тогда, когда учёные использовали новую технику ускорения процесса осаждения лития, чтобы он осаждался быстрее, чем происходили нежелательные химические реакции. Для этого они пропускали ток через гораздо меньший электрод, словно воду или газ через форсунку, чтобы ускорить процесс осаждения. Однако, чтобы избежать образования дендритов, исследователям также пришлось менять форму своего электрода.
«Мы хотели посмотреть, сможем ли мы осаждать литий так быстро, чтобы опередить реакцию, которая вызывает коррозионную пленку», — сказал докторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Синтонг Юань, первый автор исследования. «Таким образом, мы могли бы потенциально увидеть, как литий хочет расти в отсутствие этой пленки».
В ходе эксперимента исследователи использовали четыре разных электролита и сравнили результаты с традиционным методом. Они обнаружили, что литий формирует четыре отчетливые микроскопические формы при коррозии. Однако, в отсутствие коррозии, литий образовывал крошечные додекаэдры во всех четырех случаях. Для визуализации формы лития исследователи использовали метод криоэлектронной микроскопии, который позволяет пропускать электроны через замороженные образцы, чтобы увидеть детали на атомном уровне без их повреждения.
