加州大学洛杉矶分校的研究首次揭示了锂的真实形状

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。

它们源自另一种技术，即锂金属电池，但该技术尚未得到广泛开发或采用。这是有原因的：虽然锂金属电池的储存能量是锂离子电池的两倍，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，可能会导致更安全的锂金属电池，其性能优于当今的锂离子电池。该研究今天发表在《自然》杂志上。

金属锂很容易与化学物质发生反应，因此在正常条件下，当金属放置在电极等表面上时，腐蚀几乎立即形成。但加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种技术来防止这种腐蚀，并表明，在没有腐蚀的情况下，锂原子会组装成一种令人惊讶的形状——菱形十二面体，这是一种 12 面形状，类似于《龙与地下城》等角色扮演游戏中使用的骰子。 。

“关于锂金属的论文有数千篇，大多数对结构的描述都是定性的，比如‘块状’或‘柱状’，”该研究的通讯作者、化学与生物分子工程助理教授李玉章说。加州大学洛杉矶分校 Samueli 工程学院和 CNSI 成员。“我们惊讶地发现，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，而是一个奇异的多面体，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改变对锂金属电池的理解。”

在微小尺度上，锂离子电池将带正电的锂原子存储在覆盖电极的笼状碳结构中。相比之下，锂金属电池在电极上涂有金属锂。与锂离子电池相比，它在相同的空间中容纳的锂多了 10 倍，这导致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，该技术使用电力和称为电解质的盐溶液。通常，锂会形成带有突出尖刺的微观分支丝。在电池中，如果其中两个尖峰交叉，可能会导致短路，从而导致爆炸。

锂的真实形状(即在没有腐蚀的情况下)的揭示表明，锂金属电池的爆炸风险可以降低，因为原子以有序的形式积累，而不是纵横交错的形式。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，将金、铂和银等金属合成为纳米立方体、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，我们能否对其进行调整，使其形成立方体，并可以密集地包装以提高电池的安全性和性能?”

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——无论结构是块状还是柱状。加州大学洛杉矶分校的研究人员有不同的想法。

该研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校博士生袁新同说：“我们想看看是否可以如此快地沉积锂，从而超过引起腐蚀膜的反应。” “这样，我们就有可能看到在没有那层薄膜的情况下锂如何生长。”

研究人员开发了一种新技术，可以比腐蚀形式更快地沉积锂。他们通过一个小得多的电极流过电流，以便更快地排出电流——就像部分堵塞花园软管的喷嘴会导致水更有力地喷出一样。

然而，需要一种平衡，因为过度加速该过程会导致同样的尖峰结构，从而导致短路。该团队通过调整微型电极的形状解决了这个问题。

他们使用四种不同的电解质将锂沉积在表面上，比较标准技术和新方法之间的结果。随着腐蚀，锂形成四种不同的微观形状。然而，通过无腐蚀的过程，他们发现在所有四种情况下，锂都形成了微小的十二面体——不大于百万分之二米，或约为单个细菌的平均长度。

研究人员能够通过一种称为冷冻电子显微镜(cryo-EM)的成像技术看到锂的形状，该技术通过冷冻样品发射电子，以显示原子水平的细节，同时抑制对样品的损坏。

冷冻电镜在生物科学中已普遍用于确定蛋白质和病毒的结构。材料科学的应用正在不断增长，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，当在室温下暴露于电子束时，锂会分解成碎片。(他的研究发表在 2017 年《科学》杂志上。)其次，该团队在 CNSI 纳米机器电子成像中心进行了实验，该中心拥有几台冷冻电镜仪器，这些仪器经过定制，可适应材料研究中使用的样品类型。