Mae gwyddonwyr wedi darganfod achos ffrwydradau aml mewn batris lithiwm-ion!

Gyda datblygiad cyflym dyfeisiau electronig cludadwy a cherbydau trydan, mae pobl nid yn unig yn mynd ar drywydd gallu mwy a chyflymder codi tâl cyflymach a rhyddhau batris lithiwm, ond hefyd yn poeni mwy am sut i sicrhau diogelwch defnyddio batri lithiwm. Oherwydd digwyddiadau achlysurol fel ffrwydradau batri lithiwm, mae'n anochel bod nerfau rhywun yn llawn tyndra. Y rhagofyniad ar gyfer datrys materion diogelwch batris lithiwm yw i wyddonwyr gael dealltwriaeth drylwyr a chynhwysfawr o achosion ffrwydradau batri lithiwm.

Yr esboniad gwyddonol presennol yw y bydd dyddodiad lithiwm ar yr wyneb electrod yn ffurfio dendrites, a fydd yn parhau i dyfu, gan achosi cylchedau byr mewnol yn y batri, gan arwain at fethiant batri neu beryglon tân posibl. Ond yn y gorffennol, roedd diffyg dulliau technegol effeithiol i ddeall ac astudio o safbwynt strwythur atomig, ac yna dod o hyd i atebion i broblemau.
Mae technoleg cryo EM, a enillodd Wobr Nobel mewn Cemeg 2017 y mis hwn, yn darparu cefnogaeth dechnegol gref ar gyfer hyn. Cipiodd y tîm ymchwil dan arweiniad yr Athro Cui Yi o Brifysgol Stanford a Labordy Cyflymydd Cenedlaethol SLAC yn uniongyrchol o dan Adran Ynni yr Unol Daleithiau, yn ogystal â enillydd gwobr Nobel Steven Chu ym 1997, y ddelwedd gyntaf o dendritau metel lithiwm lefel atomig gan ddefnyddio microsgopeg cryo electron ( cryo EM). Cyhoeddwyd canfyddiadau'r ymchwil yn y cyfnodolyn academaidd rhyngwladol Science ar Hydref 27ain amser lleol.
Mae pob dendrite metel lithiwm yn grisial hecsagonol hir, wedi'i ffurfio'n berffaith. Yn flaenorol, dim ond crisialau siâp afreolaidd a welwyd trwy ficrosgopeg electron. Dywedodd Cui Yi, "Mae canlyniadau'r ymchwil yn gyffrous iawn ac wedi agor cyfnod newydd ar gyfer ymchwil cysylltiedig!"

Mae microsgop cryoelectron, fel y mae'r enw'n ei awgrymu, yn dechneg ficrosgopig sy'n defnyddio cryofixation i arsylwi samplau ar dymheredd isel gan ddefnyddio Microsgop Trawsyrru Electron (TEM). Mae microsgopeg cryoelectron yn ddull ymchwil bioleg strwythurol pwysig ac yn ffordd hanfodol o gael strwythur biomoleciwlau.

Gan mai delweddau yw'r allwedd i ddeall mecanweithiau, mae datblygiadau gwyddonol yn aml yn dibynnu ar ddefnyddio'r llygad noeth i gael delwedd weledol y targed yn llwyddiannus. Am gyfnod hir, credir nad yw TEM yn addas ar gyfer arsylwi biomoleciwlau oherwydd gall trawstiau electron pwerus niweidio deunyddiau biolegol. Fodd bynnag, mae ymddangosiad microsgopeg electron cryo wedi galluogi ymchwilwyr i "rewi" biomoleciwlau ac arsylwi a dadansoddi eu prosesau cynnig yn ddigynsail. Mae'r nodweddion hyn yn cael effaith bendant ar ddealltwriaeth o fiocemeg a datblygiad ffarmacoleg. Felly, bydd microsgopeg electron cryo hefyd yn cael ei gynnwys yn y Wobr Nobel mewn Cemeg eleni.
Ar gyfer deunyddiau megis lithiwm, nid yw ychwaith yn bosibl defnyddio microsgop electron taflunio i weld canlyniadau ar lefel atomig dendrites. Yn debyg i fioddeunyddiau, wrth ddefnyddio TEM ar dymheredd ystafell, bydd ymylon dendrites yn cyrlio neu hyd yn oed yn toddi oherwydd effaith trawst electron. Dywedodd Yanbin Li, myfyriwr doethuriaeth o Brifysgol Stanford a gymerodd ran yn y gwaith hwn, "Mae paratoi samplau microsgopeg electron trosglwyddo yn cael ei wneud mewn aer, ond bydd metel lithiwm yn cyrydu'n gyflym yn yr awyr." "Pryd bynnag y byddwn yn ceisio arsylwi metel lithiwm o dan ficrosgop electron pŵer uchel, bydd electronau yn 'drilio tyllau' yn y dendrites a hyd yn oed yn ei doddi'n llwyr."
Dywedodd Yanbin Li, myfyriwr PhD o Brifysgol Stanford a gymerodd ran yn yr astudiaeth hon, "Mae fel tywynnu chwyddwydr ar ddeilen yng ngolau'r haul. Fodd bynnag, os gallwch chi oeri'r ddeilen, bydd y broblem hon yn cael ei datrys yn hawdd: os ydych chi'n canolbwyntio golau ar y ddeilen, bydd y gwres hefyd yn cael ei golli, ac ni fydd y ddeilen yn cael ei niweidio. Dyma'r hyn y gallwn ei gyflawni gyda microsgop cryoelectron, ac mae'r gwahaniaeth mewn delweddu wrth ddefnyddio deunyddiau batri yn amlwg iawn."

Felly, mae microsgopeg electron cryo nid yn unig wedi cyflwyno cyfnod newydd mewn biocemeg, ond hefyd yn caniatáu i wyddonwyr weld strwythur cyflawn dendrites lithiwm ar y lefel atomig am y tro cyntaf. Canfu ymchwilwyr hefyd fod dendrites mewn electrolytau carbonad yn tyfu i gyfeiriad penodol yn nanowires grisial sengl. Efallai y bydd rhai ohonynt yn profi clymau yn ystod y broses dwf, ond mae eu strwythur grisial yn parhau i fod yn gyfan.

Dywedodd Yuzhhangli, myfyriwr doethuriaeth arall o Brifysgol Stanford a gymerodd ran yn yr ymchwil hwn, y gellid gweld y mwgwd wyneb rhyngwyneb electrolyt solet (SEI) hefyd, a datgelodd hefyd nanostrwythurau SEI gwahanol a ffurfiwyd mewn gwahanol electrolytau. Oherwydd bod yr un cotio hefyd yn ffurfio ar yr electrod metel pan fydd y batri yn cael ei wefru a'i ollwng, mae rheoli ei gynhyrchiad a'i sefydlogrwydd yn hanfodol ar gyfer defnydd effeithlon o'r batri.
Trwy ddefnyddio cryo EM, gall gwyddonwyr arsylwi sut mae electronau'n alldaflu o atomau mewn dendritau, a thrwy hynny ddatgelu lleoliad atomau unigol. Gall gwyddonwyr hyd yn oed fesur y pellter rhwng atomau, ac mae'r bylchau atomig yn nodi'n union eu bod yn atomau lithiwm.
Mae'r datganiad i'r wasg a ryddhawyd gan SLAC yn dangos bod ymchwilwyr, o dan y microsgop, yn defnyddio gwahanol dechnegau i arsylwi ar y ffordd y mae electronau'n cael eu taflu allan o atomau'r dendrit, gan ddatgelu lleoliad atom sengl yng nghôt mwgwd wyneb y grisial a'i ryngwyneb electrolyt solet. . Pan fyddant yn ychwanegu cemegau a ddefnyddir yn gyffredin i wella perfformiad batri, mae strwythur atomig y rhyngwyneb electrolyt solet cotio mwgwd wyneb yn dod yn fwy trefnus, a fydd yn helpu i esbonio pam mae ychwanegion yn chwarae rhan.
"Rydym yn gyffrous iawn. Dyma'r tro cyntaf y gallwn gael delwedd mor fanwl o dendrites, a dyma'r tro cyntaf hefyd i ni weld nanostrwythur haen mwgwd wyneb rhyngwyneb electrolyt solet." Dywedodd YanbinLi, "Gall yr offeryn hwn ein helpu i ddeall rôl gwahanol electrolytau, a pham mae rhai electrolytau yn cael effeithiau gwell nag eraill."
Gall y data perthnasol a welwyd o'r arbrofion hyn ddarparu dealltwriaeth bellach o fecanweithiau methiant batri. Er bod y gwaith hwn yn defnyddio metel lithiwm fel enghraifft i ddangos ymarferoldeb cryo EM, gellir ymestyn y dull hwn hefyd i astudiaethau eraill sy'n cynnwys deunyddiau sy'n sensitif i belydr fel lithiwm silicon neu sylffwr. Dywedodd y tîm ymchwil hefyd eu bod yn bwriadu canolbwyntio ar fwy o ddealltwriaeth o briodweddau cemegol a strwythur yr haen mwgwd wyneb electrolyt solet.