加州大学洛杉矶分校研究首次揭示锂的真实形状

可充电锂离子电池为智能手机、电动汽车以及太阳能和风能存储等技术提供动力。

它们源于另一种技术，即锂金属电池，尚未被广泛开发或采用。这是有原因的：虽然锂金属电池具有大约两倍于锂离子电池的能量的潜力，但它们也存在更大的着火甚至爆炸风险。

现在，加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员的一项研究 揭示了一项基本发现，可能导致更安全的锂金属电池，其性能优于当今的锂离子电池。这项研究今天发表在《自然》杂志上。

金属锂很容易与化学物质发生反应，在正常情况下，当金属被放置在电极等表面上时，几乎立即形成腐蚀。但加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种防止这种腐蚀的技术，并表明，在没有锂原子的情况下，锂原子会组装成一个令人惊讶的形状——菱形十二面体，一个12边的图形，类似于龙与地下城等角色扮演游戏中使用的骰子。

“有数千篇关于锂金属的论文，大多数对结构的描述都是定性的，例如’块状’或’柱状’，”该研究的通讯作者，加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院化学和生物分子工程助理教授，CNSI成员Yuzhang说。“令我们惊讶的是，当我们防止表面腐蚀时，我们看到的不是这些不明确的形状，而是单一的多面体，它与基于金属晶体结构的理论预测相匹配。最终，这项研究使我们能够修改我们对锂金属电池的理解。

在微小的尺度上，锂离子电池将带正电荷的锂原子存储在覆盖电极的笼状碳结构中。相比之下，锂金属电池反而在电极上涂上金属锂。与锂离子电池相比，这将10倍的锂装入相同的空间，这解释了性能和危险的增加。

铺设锂涂层的过程基于一种已有200多年历史的技术，该技术采用电和称为电解质的盐溶液。通常，锂形成具有突出尖峰的微小分支细丝。在电池中，如果其中两个尖峰纵横交错，可能会导致短路，从而导致爆炸。

锂的真实形状的揭示 – 即在没有腐蚀的情况下 – 表明锂金属电池的爆炸风险可以减轻，因为原子以有序的形式积累，而不是可以纵横交错的形式。这一发现也可能对高性能能源技术产生重大影响。

“科学家和工程师已经进行了二十多年的研究，将包括金，铂和银在内的金属合成成纳米立方体，纳米球和纳米棒等形状，”李说。“现在我们知道了锂的形状，问题是，我们能否调整它，使其形成立方体，可以密集包装以提高电池的安全性和性能？”

李实验室/加州大学洛杉矶分校

使用研究人员的避免腐蚀技术在表面上形成的菱形十二面体形状的渲染图，顶部有四个插图（中间，底部行）显示了在腐蚀形成的条件下出现的不规则形状。

到目前为止，普遍的观点是，溶液中电解质的选择决定了锂在表面上形成的形状 – 结构是类似于块状还是柱状。加州大学洛杉矶分校的研究人员有不同的想法。

“我们想看看我们是否可以如此迅速地沉积锂，以至于我们超过导致腐蚀膜的反应，”加州大学洛杉矶分校博士生Xintong Yuan说，该研究的第一作者。“这样，我们就有可能看到在没有这种薄膜的情况下锂想要如何增长。

研究人员开发了一种比腐蚀形式更快地沉积锂的新技术。它们使电流通过一个小得多的电极，以便更快地将电流排出 – 就像部分阻塞花园软管的喷嘴导致水更有力地喷射的方式一样。

然而，需要平衡，因为过度加速该过程会导致导致短路的相同尖峰结构;该团队通过调整其微小电极的形状来解决这个问题。

他们使用四种不同的电解质在表面上放置锂，比较标准技术和新方法之间的结果。随着腐蚀，锂形成了四种不同的微观形状。然而，通过他们的无腐蚀过程，他们发现锂在所有四种情况下都形成了微小的十二面体 – 不超过百万分之2米，或大约是单个细菌的平均长度。

研究人员能够看到锂的形状，这要归功于一种称为冷冻电子显微镜或冷冻电镜的成像技术，该技术将电子射过冷冻样品，以便在抑制对样品的损坏的同时显示原子水平的细节。

冷冻电镜在生物科学中已无处不在，用于确定蛋白质和病毒的结构。材料科学的使用正在增长，加州大学洛杉矶分校的研究人员有两个关键优势。

首先，当李还是一名研究生时，他证明了冷冻电镜可用于分析锂，锂在室温下暴露于电子束时会掉成碎片。（他的研究于2017年发表在《科学》杂志上。其次，该团队在CNSI的纳米机器电子成像中心进行了实验，该中心拥有几种冷冻电镜仪器，这些仪器经过定制，以适应材料研究中使用的样品类型。

“生物学和化学界之间的异花授粉正在产生新的想法，”该研究的合著者兼成像中心常务董事Matthew Mecklenburg说。“我们正在运用我们丰富的经验，使用冷冻电镜方法分析小分子、蛋白质和病毒，以新的方式研究对电子束敏感的电池材料。

李说，沉积锂的新技术仍需要进一步的工作来优化它。

加州大学洛杉矶分校博士生刘波也是该研究的合著者。该研究得到了美国国家科学基金会和CNSI的贵族家庭创新基金的支持。