Os cientistas descobriram a causa das frequentes explosões em baterias de íons de lítio!

Com o rápido desenvolvimento de dispositivos eletrônicos portáteis e veículos elétricos, as pessoas não estão apenas buscando maior capacidade e maior velocidade de carga e descarga de baterias de lítio, mas também mais preocupadas em como garantir a segurança do uso de baterias de lítio. Devido a incidentes ocasionais, como explosões de baterias de lítio, os nervos ficam inevitavelmente tensos. O pré-requisito para resolver os problemas de segurança das baterias de lítio é que os cientistas tenham uma compreensão completa e abrangente das causas das explosões das baterias de lítio.

A explicação científica atual é que a deposição de lítio na superfície do eletrodo formará dendritos, que continuarão a crescer, causando curtos-circuitos internos na bateria, levando à falha da bateria ou a potenciais riscos de incêndio. Mas, no passado, faltavam meios técnicos eficazes para compreender e estudar do ponto de vista da estrutura atómica e depois encontrar soluções para os problemas.
A tecnologia crioEM, que ganhou este mês o Prêmio Nobel de Química de 2017, fornece forte suporte técnico para isso. A equipe de pesquisa liderada pelo professor Cui Yi da Universidade de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory diretamente subordinado ao Departamento de Energia dos EUA, bem como pelo ganhador do Nobel Steven Chu em 1997, capturou a primeira imagem de dendritos de metal de lítio em nível atômico usando microscopia crioeletrônica ( crio EM). Os resultados da pesquisa foram publicados na revista acadêmica internacional Science em 27 de outubro, horário local.
Cada dendrito de metal de lítio é um cristal hexagonal longo e perfeitamente formado. Anteriormente, apenas cristais de formato irregular eram observados através de microscopia eletrônica. Cui Yi disse: “Os resultados da pesquisa são muito emocionantes e abriram uma nova era para pesquisas relacionadas!”

Microscópio crioeletrônico, como o nome sugere, é uma técnica microscópica que utiliza criofixação para observar amostras em baixas temperaturas usando um Microscópio Eletrônico de Transmissão (TEM). A microscopia crioeletrônica é um importante método de pesquisa em biologia estrutural e um meio crucial de obtenção da estrutura de biomoléculas.

Como as imagens são a chave para a compreensão dos mecanismos, os avanços científicos muitas vezes dependem do uso do olho nu para obter com sucesso a imagem visual do alvo. Por muito tempo, acreditou-se que o TEM não era adequado para a observação de biomoléculas porque poderosos feixes de elétrons podem danificar materiais biológicos. No entanto, o surgimento da microscopia crioeletrônica permitiu aos pesquisadores “congelar” biomoléculas e observar e analisar seus processos de movimento sem precedentes. Estas caracterizações têm um impacto decisivo na compreensão da bioquímica e no desenvolvimento da farmacologia. Portanto, a microscopia crioeletrônica também será incluída no Prêmio Nobel de Química deste ano.
Para materiais como o lítio, também não é possível usar um microscópio eletrônico de projeção para visualizar os resultados no nível atômico dos dendritos. Semelhante aos biomateriais, ao usar TEM à temperatura ambiente, as bordas dos dendritos irão enrolar ou até derreter devido ao impacto do feixe de elétrons. Yanbin Li, um estudante de doutorado da Universidade de Stanford que participou deste trabalho, disse: "A preparação de amostras de microscopia eletrônica de transmissão é feita no ar, mas o lítio metálico corroerá rapidamente no ar." "Sempre que tentamos observar o metal de lítio sob um microscópio eletrônico de alta potência, os elétrons irão 'fazer buracos' nos dendritos e até mesmo derretê-lo completamente."
Yanbin Li, um estudante de doutorado da Universidade de Stanford que participou deste estudo, disse: "É como apontar uma lupa para uma folha à luz do sol. No entanto, se você puder resfriar a folha, esse problema será resolvido facilmente: se você focar a luz na folha, o calor também será perdido e a folha não será danificada. Isso é o que podemos conseguir com um microscópio crioeletrônico, e a diferença na imagem ao usar materiais de bateria é muito óbvia."

Assim, a microscopia crioeletrônica não apenas inaugurou uma nova era na bioquímica, mas também permitiu aos cientistas ver pela primeira vez a estrutura completa dos dendritos de lítio em nível atômico. Os pesquisadores também descobriram que os dendritos em eletrólitos à base de carbonato crescem em uma direção específica em nanofios de cristal único. Alguns deles podem apresentar nós durante o processo de crescimento, mas sua estrutura cristalina permanece intacta.

Yuzhangli, outro estudante de doutorado da Universidade de Stanford que participou desta pesquisa, disse que a máscara facial de interface de eletrólito sólido (SEI) também pode ser vista e também revelou diferentes nanoestruturas de SEI formadas em diferentes eletrólitos. Como o mesmo revestimento também se forma no eletrodo metálico quando a bateria é carregada e descarregada, controlar sua geração e estabilidade é crucial para a utilização eficiente da bateria.
Ao usar o crioEM, os cientistas podem observar como os elétrons são ejetados dos átomos nos dendritos, revelando assim a posição dos átomos individuais. Os cientistas podem até medir a distância entre os átomos, e o espaçamento atômico indica precisamente que são átomos de lítio.
O comunicado divulgado pelo SLAC mostra que, sob o microscópio, os pesquisadores utilizam diferentes técnicas para observar a forma como os elétrons são ejetados dos átomos do dendrito, revelando a posição de um único átomo no revestimento da máscara facial do cristal e sua interface eletrolítica sólida. . Quando eles adicionam produtos químicos comumente usados ​​para melhorar o desempenho da bateria, a estrutura atômica do revestimento da máscara facial da interface de eletrólito sólido torna-se mais ordenada, o que ajudará a explicar por que os aditivos desempenham um papel.
"Estamos muito entusiasmados. Esta é a primeira vez que podemos obter uma imagem tão detalhada dos dendritos, e também é a primeira vez que podemos ver a nanoestrutura da camada da máscara facial da interface do eletrólito sólido." YanbinLi disse: "Esta ferramenta pode nos ajudar a compreender o papel dos diferentes eletrólitos e por que alguns eletrólitos têm efeitos melhores do que outros."
Os dados relevantes observados nestas experiências podem fornecer uma melhor compreensão dos mecanismos de falha da bateria. Embora este trabalho utilize o lítio metálico como exemplo para demonstrar a praticidade do crioEM, este método também pode ser estendido a outros estudos envolvendo materiais sensíveis a feixes, como lítio, silício ou enxofre. A equipe de pesquisa também disse que planejava se concentrar em uma maior compreensão das propriedades químicas e da estrutura da camada de eletrólito sólido da máscara facial.