研究者らが腐食と闘い、リチウムの本当の形状を初めて解明

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表面上のリチウム原子は、腐食から保護されている場合、自然に菱形十二面体 (d12 サイコロに似た 12 面の形状) を形成します。 この発見は、これまで火災の危険性をもたらす予測不可能なリチウムの成長によって妨げられてきた安全なリチウム金属電池の開発に重要な影響を与える可能性がある。 この研究は『Nature』誌に掲載されています。

充電式リチウムイオン電池はほぼすべての家庭にあり、スマートフォンから電気自動車に至るまであらゆるものに電力を供給しています。 また、ピーク時に太陽光発電や風力発電から生成される余剰エネルギーを貯蔵するなど、産業用エネルギー貯蔵用途にも広く使用されています。

リチウムイオン電池は、電極を覆うかご状の炭素構造に正に帯電したリチウム原子を蓄えることでエネルギーを保持します。 しかし、リチウムイオン電池が登場する前には、リチウム金属電池が存在しました。 リチウム金属電池は、カーボンではなく、純粋なリチウム金属の薄いシートで電極をコーティングしています。 この小さな変更により、リチウムイオン電池と比較して同じ空間に最大 10 倍多くのリチウムを詰め込むことができ、その結果、性能が大幅に向上します。

しかし、充電式リチウム金属電池もはるかに危険です。 金属リチウムは反応性が高く、電極上に金属が堆積するとほぼ即座に腐食が始まります。 これにより、リチウム原子が微細なスパイクや枝を形成し、それらが接触すると短絡を引き起こす可能性があります。

リチウム金属電池に含まれる電解質は、この表面リチウムの形状にも影響を及ぼします。これが、リチウム金属電池が一部の産業で依然として安全に使用できると考えられている理由の一部です。 これまでは、リチウムが電極表面上で塊状、とがった形状、または柱状の形状を形成するかどうかを決定するのは、電解質の選択が主要な要素であるという見方が支配的であった。

この研究の筆頭著者であるカリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の博士課程学生、シントン・ユアン氏は、「腐食膜を引き起こす反応を上回るほど迅速にリチウムを堆積できるかどうかを確認したかった」と述べた。 「そうすれば、その膜が存在しない場合にリチウムがどのように成長したいのかを潜在的に知ることができるでしょう。」

研究者らは、従来の方法よりも迅速にリチウムを堆積させる新しい技術を開発した。 はるかに小さな電極に電流を流すことで、研究者らは効果的に電気をより速く流し、蒸着プロセスをスピードアップすることができた。これは、部分的に詰まったホースに押し込まれた水がより勢いよく飛び出すのと同じだ。

この技術は、4 つの異なる電解質を使用してリチウム金属を堆積するために使用され、リチウム堆積物の形状は極低温電子顕微鏡 (クライオ EM) イメージングを使用して分析されました。 観察された形状は、より伝統的な堆積技術を使用して、同様の条件下で作成された追加のサンプルと比較されました。

新しい超高速堆積技術は、リチウムの自然腐食を上回るほど高速であることが判明しました。

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腐食により、リチウムは 4 つの異なる微細な形状を形成しました。 しかし、超高速の腐食のないプロセスを使用すると、リチウムは常に電極表面にマイクロスケールの十二面体形状を形成しました。 研究者らは、これは腐食が許されない場合のリチウムの「本当の」形状を反映している可能性が高いと述べている。

「リチウム金属に関する論文は数千件ありますが、構造の説明のほとんどは『分厚い』とか『柱状』といった定性的なものです」と、この研究の責任著者であり、化学・生体分子工学の助教授であるYuzhang Li氏は述べた。 UCLAサムエリ工学部。