Metal de litiu - forma reala dezvaluita pentru prima data

Cercetatorii de la UCLA au dezvoltat o modalitate de a depune metal de litiu pe o suprafata evitand in acelasi timp aparitia unui strat de coroziune care se formeaza de obicei.

Fara aceasta coroziune, litiul ia o forma neobservata anterior, o figura minuscula cu 12 fete.

Bateriile reincarcabile de litiu-ion alimenteaza smartphone-urile, vehiculele electrice si stocheaza energia solara si eoliana, printre alte tehnologii.

Acestea, la randul lor, provin dintr-o alta tehnologie, bateria din metal de litiu, care nu a fost dezvoltata sau adoptata la fel de larg.

Exista un motiv pentru acest lucru: in timp ce bateriile cu metal de litiu au potentialul de a retine aproximativ dublu energie fata de bateriile cu litiu-ion, ele prezinta, de asemenea, un risc mult mai mare de a lua foc sau chiar de a exploda.

O descoperire care pune intr-o noua lumina acest metal de litiu

Insa, un studiu realizat de membrii Institutului California NanoSystems de la UCLA dezvaluie o descoperire fundamentala care ar putea duce la baterii din metal de litiu mai sigure, ce depasesc bateriile litiu-ion de astazi.

Litiul metalic reactioneaza atat de usor cu substantele chimice incat, in conditii normale, coroziunea se formeaza aproape imediat in timp ce metalul este asezat pe o suprafata, cum ar fi un electrod.

Dar cercetatorii UCLA au dezvoltat o tehnica care previne acea coroziune si au aratat ca, in absenta ei, atomii de litiu se aduna intr-o forma surprinzatoare – dodecaedrul rombic, o figura cu 12 fete similara cu zarurile folosite in jocurile de rol precum “Dungeons and Dragons”.

„Exista mii de lucrari despre metalul de litiu, iar majoritatea descrierilor structurii sunt calitative, cum ar fi „dolofan” sau „alungit”, a spus Yuzhang Li, autorul corespondent al studiului, profesor asistent de inginerie chimica si biomoleculara la Scoala de Inginerie UCLA Samueli si membru al CNSI.

„A fost surprinzator pentru noi sa descoperim ca atunci cand am prevenit coroziunea la suprafata, in loc de aceste forme prost definite, am vazut un poliedru singular care se potriveste cu predictiile teoretice bazate pe structura cristalina a metalului. In cele din urma, acest studiu ne permite sa revizuim modul in care intelegem bateriile de litiu”.

La scara mica, o baterie litiu-ion stocheaza atomi de litiu incarcati pozitiv intr-o structura de carbon asemanatoare unei custi care acopera un electrod.

In schimb, o baterie din metal de litiu acopera electrodul cu litiu metalic. Acest lucru include de 10 ori mai mult litiu in acelasi spatiu in comparatie cu bateriile litiu-ion, ceea ce explica cresterea atat a performantei, cat si a pericolului.

Implicatii viitoare ale noii descoperiri

Procesul de intindere a stratului de litiu se bazeaza pe o tehnica veche de peste 200 de ani care utilizeaza electricitate si solutii de saruri numite electroliti.

Adesea, litiul formeaza filamente microscopice ramificate cu varfuri proeminente. Intr-o baterie, daca doua dintre aceste varfuri se incruciseaza, poate provoca un scurtcircuit care ar putea duce la o explozie.

Dezvaluirea adevaratei forme a litiului – adica in absenta coroziunii – sugereaza ca riscul de explozie pentru bateriile din metal de litiu poate fi diminuat, deoarece atomii se acumuleaza intr-o forma ordonata in loc de una care se poate incrucisa.

Descoperirea ar putea avea, de asemenea, implicatii substantiale pentru tehnologia energetica de inalta performanta.

„Oamenii de stiinta si inginerii au realizat cercetari timp de peste doua decenii pentru sintetizarea metalelor, inclusiv aur, platina si argint, in forme precum nanocuburi, nanosfere si nanoroduri”, a spus Li.

„Acum ca stim forma litiului, intrebarea este: Il putem regla astfel incat sa formeze cuburi, care sa poata fi impachetate dens pentru a creste atat siguranta, cat si performanta bateriilor?”

In imagine apare o redare a formei dodecaedrului rombic a atomilor de litiu care s-au format pe o suprafata cu tehnica folosita de cercetatori pentru evitarea coroziunii (sus), urmeaza patru ilustratii (mijloc si jos) care arata formele neregulate ce au aparut in conditiile in care s-a format coroziunea.

Metal de litiu – o noua tehnica de depunere

Pana acum, opinia predominanta a fost ca alegerea electrolitilor in solutie determina forma pe care o formeaza litiul pe o suprafata. Dar cercetatorii de la UCLA au avut o idee diferita.

„Am vrut sa vedem daca putem depune litiu atat de repede incat sa depasim reactia care provoaca coroziunea”, a spus studentul doctorat UCLA Xintong Yuan, primul autor al studiului. „In acest fel, am putea vedea cum vrea litiul sa creasca in absenta coroziunii”.

Oamenii de stiinta au dezvoltat o noua tehnica de depunere a litiului mai rapida decat formele de coroziune.

Au trecut curent printr-un electrod mult mai mic pentru a impinge electricitatea mai repede – la fel ca modul in care blocarea partiala a duzei unui furtun de gradina face ca apa sa iasa mai puternic.

A fost necesar, totusi, un echilibru, deoarece accelerarea prea mare a procesului ar duce la aceleasi structuri intepatoare care provoaca scurtcircuit; echipa a abordat aceasta problema prin ajustarea formei electrodului lor minuscul.

Ei au pus metal de litiu pe suprafete folosind patru electroliti diferiti, comparand rezultatele intre o tehnica standard si noua lor metoda.

La coroziune, litiul a format patru forme microscopice distincte. Cu toate acestea, la procesul fara coroziune, s-a descoperit ca litiul a format dodecaedre minuscule in toate cele patru cazuri.

Cercetatorii au reusit sa vada forma litiului datorita unei tehnici de imagistica numita microscopie crio-electronica sau cryo-EM, care transmite electroni prin probe inghetate pentru a arata detalii pana la nivel atomic, inhiband in acelasi timp deteriorarea probelor.

In loc de incheiere

Cryo-EM a devenit omniprezenta in biostiinte pentru determinarea structurilor proteinelor si virusurilor. Utilizarea pentru stiinta materialelor este in crestere, iar cercetatorii UCLA au avut doua avantaje cheie.

In primul rand, cand Li era student absolvent, el a demonstrat ca tehnica cryo-EM poate fi folosita pentru a analiza acest metal de litiu, care se face bucati atunci cand este expus la un fascicul de electroni la temperatura camerei.

In al doilea rand, echipa de cercetare a efectuat experimente la Centrul de imagistica electronica pentru nanomasini al CNSI, care gazduieste mai multe instrumente crio-EM ce au fost personalizate pentru a gazdui tipurile de mostre utilizate in cercetarea materialelor.

„Polenizarea incrucisata intre comunitatile de biologie si chimie produce idei noi”, a spus Matthew Mecklenburg, co-autor al studiului si director general al centrului de imagistica.

„Aplicam experienta noastra vasta in analiza moleculelor mici, proteinelor si virusurilor folosind metode crio-EM in noi moduri de a privi materialele bateriilor care sunt sensibile la fasciculul de electroni”.

Li a spus ca noua tehnica de depunere a litiului necesita inca lucrari suplimentare pentru a o optimiza.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: phys.org, nature.com, techexplorist.com.

Credit foto: Li Lab/UCLA.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.