2017 Nobel Ödülü ağır uygulaması: ilk atomik kriyo-elektron mikroskobu mikrografı, lityum pil arızasının gizemini ortaya koyuyor
("MIT Technology Review" APP'nin Çince ve İngilizce sürümü artık çevrimiçi ve yıllık aboneler her hafta teknoloji İngilizcesi dersini canlı yayınlıyor ve ayrıca bir teknoloji İngilizce öğrenme topluluğu da var ~)
Sık sık uçakla seyahat ediyorsanız, havalimanı güvenlik kontrol istemlerini fark edebilirsiniz.Geleneksel yasaklı maddelere ek olarak, aşırı kapasiteye sahip bazı cep telefonu veya mobil güç bankalarının taşınmasına veya kontrol edilmesine izin verilmez.
Pil güvenliği sorunları Gelmek gerçekten de sıcak bir konu haline geldi Daha önceki Samsung Galaxy Note 7 serisi cep telefonlarının lityum iyon pil patlama sorununa ek olarak, en son Apple iPhone 8 serisi cep telefonları bile benzer sorunlar bildirdiler.
Elbette, hepimizin bildiği gibi, tüketici elektroniğinde lityum iyon pillerle ilgili sorunlar genellikle yüksek sıcaklık, kısa devre, termal kaçak ve diğer nedenlerden kaynaklanır. Lityum iyon pillerin güvenlik sorununu tamamen çözmek için atom düzeyinde bile olabildiğince derin araştırma yapmalıyız, ancak geçmişte bu tür araştırmalar genellikle etkili teknik araçlardan yoksundu.
Yakın zamanda Stanford Üniversitesi profesörü Cui Yi ve Nobel Ödülü sahibi Zhu Diwen tarafından yapılan bir çalışmada, 2017 Nobel Kimya Ödülü'nü kazanan kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM) teknolojisi, lityum metal dendritlerini analiz etmek için kullanıldı. Atomik gözlem . Son makale bugün "Science" resmi web sitesinde de yayınlandı.
Şekil | "Kriyo-elektron mikroskobu, hassas pil malzemelerinin atomik yapısını ve etkileşimini ortaya çıkarır" (Resim kaynağı: Bilim)
Stanford Üniversitesi'nden ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndan doğrudan ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı bilim adamları, yakalamak için kriyo-EM teknolojisini kullandılar. İlk atom düzeyinde lityum metal dendrit görüntüsü . Bu kez yakalanan dendrit görüntüsü, pilin içinde bir tür parmak benzeri büyümedir ve düzensiz büyümesinden dolayı, pilin içindeki diyaframı delip pilin aşırı ısınmasına veya kısa devreye neden olabilir.
Şekil | Kriyo-elektron mikroskopları ile alınan lityum metal dendritlerin görüntüleri.Dondurma işlemi onları orijinal hallerinde tutar, böylece dendritlerin aslında heksahedral bir yapıya sahip kristal nanoteller olduğunu gözlemler. Lityum dendritler, büyüme sürecinde pil diyaframını delip kısa devrelere ve hatta yangına neden olur. Kriyo-elektron mikroskobu şu anda orijinal yapısını bozmadan atom seviyesinde görüntüleyebilen tek teknolojidir. (Resim kaynağı: Bilim)
Dendrit büyümesi ve sorunları, yüksek yoğunluklu enerji depolama pillerinin geliştirilmesinin önünde her zaman büyük bir engel olmuştur, ancak şimdiye kadar iyi bir çözüm yoktur.
Bilim adamları bu kez malzeme bilimi alanında biyoloji-kriyo-elektron mikroskobu teknolojisi alanında keskin bir araç kullandılar. Hepimizin bildiği gibi kriyo-elektron mikroskobu teknolojisi, hızlı ve yüksek çözünürlüklü görüntüleme yaparken büyük protein komplekslerinin atomik yapısını analiz etmek ve diğer mikroskobik biyolojik mekanizmaları incelemek için kullanılabilir.
Kriyo-elektron mikroskobu teknolojisinin ortaya çıkışı, şüphesiz biyolojiye, özellikle yapısal biyolojiye teknolojik bir devrim getirdi. Bu teknolojinin üç ana katkısı olan Jacques Dubochet, Joachim Frank ve Richard Henderson da 2017 Nobel Kimya Ödülü'nü kazandı.
Şekil | 2017 Nobel Kimya Ödülü, kriyo-elektron mikroskobu teknolojisine katkıda bulunan üç önemli kişiye verildi
Eve yaklaştıkça, bu sefer çekilen görüntüler, lityum metal dendritlerin Uzun şerit, güzel şekilli altı kenarlı kristal form . Daha önce geleneksel elektron mikroskoplarında gözlemlenen dendritler, yüzeyinde lekeler bulunan düzensiz şeritlerdir.
Malzeme bilimi araştırmalarında, malzeme özelliklerinin en derinlemesine anlaşılmasına sahip olmak için atom düzeyinde gözlemlere ulaşmak genellikle gereklidir. Kriyo-elektron mikroskobu teknolojisi, bilim insanlarına, yüksek yoğunluklu enerji depolama pillerinin teknik darboğazının aşılmasının zor olmasının temel nedenini bulmak için pilin içinde neler olup bittiğini en temel düzeyde incelemek için güçlü bir araç sağlar.
Resim | Cui Yi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü, Stanford Üniversitesi
Bu araştırmadan sorumlu ana kişi olan Stanford Üniversitesi'nde profesör olan Cui Yi, "Araştırma sonuçları çok heyecan verici ve ilgili araştırmalar için yepyeni bir resim açtı!" Dedi.
Kriyo-elektron mikroskobu sayesinde, kırılgan yapıya ve kararsız kimyasal özelliklere sahip malzemeler, kristalleşme olmaksızın yüksek hassasiyetle gözlemlenebilir.Bu, pilin çalışma sırasındaki orijinal halidir. Profesör Cui Yi ayrıca: " Aynı yöntem her tür pil malzemesi için geçerlidir. Bu sefer araştırma için kullandığımız lityum metal onlardan sadece biri, ama aynı zamanda en temsili ve en zorlu malzemedir. "
Şekil Bilim adamları, kriyo-elektron mikroskobu kullanarak, dendritlerdeki atomlardan elektronların nasıl atıldığını gözlemleyebilir ve ardından ayrı ayrı atomların konumunu ortaya çıkarabilir (solda). Atomlar arasındaki mesafeyi bile ölçebilirler (sağdaki resim). Ve atom yoğunluğu sadece lityum olduklarını gösteriyor.
Cui Yi'nin laboratuvarı, pillerden kaynaklanan dendritleri önlemek için, büyümelerini önlemek için elektrolite kimyasallar eklemek veya dendritlerin "istilacı" olduğunu algıladığında "akıllı" bir pil geliştirmek gibi birçok yeni yöntem tasarladı. Pil ayırıcı arasındaki bariyer otomatik olarak kapanacaktır.
Bununla birlikte, şimdiye kadar, bilim adamları dendritlerin veya pillerin diğer önemli bileşenlerinin atom düzeyinde görüntülerini elde edemediler. Transmisyon elektron mikroskobu (TEM) kullanmayı seçebilirler, ancak bu yöntem lityum metal dahil birçok malzeme için uygun değildir.
Şekil Bu çalışmanın iki ana yazarı (resim kaynağı: Cui Yi ekibi resmi web sitesi)
Yanbin Li ile birlikte araştırmayı yürüten Stanford Üniversitesi'nden Yuzhang Li, "TEM numunelerinin hazırlanmasının havada yapılması gerekiyor, ancak lityum metali havada hızla korozyona uğrayacak" dedi. "Ne zaman yüksek büyütme kullanmaya çalışsak Elektron mikroskobu metalik lityumu gözlemlediğinde, elektronlar dendritlerde "delikler açar" ve hatta onu tamamen eritir. "
"Bu, güneşte bir büyüteçle bir yaprağı aydınlatmak gibidir. Ama eğer yaprağı soğutabilirseniz, bu sorun çözülecektir: ışığı yaprağa odaklarsanız, ısı da kaybolacak ve yaprak zarar görmeyecektir. Kriyo-elektron mikroskopları ile elde edebileceğimiz şey bu ve pil malzemelerinin görüntülenmesinde kullanıldığında fark çok açık. "
Şekil Sol: Oda sıcaklığında bir TEM görüntüsünde, lityum metalinin dendritleri havaya maruz kalması nedeniyle aşınır ve elektron ışını da üzerinde çok sayıda deliği eritir. Bu durum bir kriyo-elektron mikroskobunda tamamen yok.Sağdaki dendritik görüntü, donmuş ortamın orijinal durumunu koruduğunu gösteriyor ve açıkça tanımlanmış arayüzlere sahip kristal nanotelleri görebiliyoruz.
Kriyo-elektron mikroskobu deneylerinde araştırmacılar, numuneleri sıvı nitrojene batırarak hızla dondurur ve ardından mikroskop altında dilimlere ayırır. Gözlemci, şarj ve deşarj döngüsü sırasında herhangi bir anda tüm düğme pilini dondurmakla kalmaz, seçilen parçayı çıkaramaz ve parçanın içini atomik boyutta keşfedemez. Seri haldeki sürecin farklı noktalarında seçilen görüntüleri birbirine bağlayarak pil aktivitesi hakkında bir durdurma filmi bile yapabilirsiniz.
Bu çalışmada ekip, çeşitli elektrolitlere batırılmış binlerce lityum metal dendriti incelemek için Stanford Üniversitesi Tıp Fakültesi'nden bir kriyo-elektron mikroskobu kullandı. Sadece dendritin metal kısmını gözlemlemekle kalmaz, aynı zamanda ne denildiğini de görürler. Katı elektrolit arayüz membranı (SEI) Dendritler çevreleyen elektrolit ile reaksiyona girdikçe ara katman değişir. Batarya şarj edilip boşaldığında, metal elektrot üzerinde de aynı kaplama oluşur, bu nedenle bataryanın verimli kullanımı için üretimini ve stabilitesini kontrol etmek çok önemlidir.
Dendritlerin, belirli bir yönde büyüme eğiliminde olan kristal, çok yönlü nanoteller olduğunu keşfettiklerinde şaşırdılar. Bazıları "büyüme" işlemi sırasında düğümlenir, ancak buna rağmen kristal yapıları hala sağlamdır.
Mikroskop altında, araştırmacılar, elektronların dendritlerin atomlarından nasıl çıkarıldığını gözlemlemek için farklı teknikler kullandılar, bu da kristalin kaplamasındaki ve katı elektrolit arayüzündeki tek tek atomların konumunu ortaya çıkardı. Pil performansını artırmak için yaygın olarak kullanılan kimyasalları eklediklerinde, katı elektrolit arayüz film kaplamasının atomik yapısı daha düzenli hale gelir ve bu, katkı maddelerinin neden çalıştığını açıklamaya yardımcı olacaktır.
" Gerçekten heyecanlıyız, ilk kez dendritlerin bu kadar detaylı bir görüntüsünü elde edebiliyoruz ve aynı zamanda katı elektrolit arayüz katmanının nanoyapılarını ilk kez gördük. "Yanbin Li dedi.
"Bu araç, farklı elektrolitlerin ne yaptığını ve neden bazı elektrolitlerin diğerlerinden daha iyi olduğunu anlamamıza yardımcı olabilir."
Araştırmacılar, gelecekte katı elektrolit arayüz zarının kimyasal özellikleri ve yapısı hakkında daha fazla bilgi edinmeye odaklanmayı planladıklarını söylediler.
