นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบสาเหตุของการระเบิดบ่อยครั้งในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน!

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและยานพาหนะไฟฟ้า ผู้คนไม่เพียงแต่แสวงหาความจุที่มากขึ้นและความเร็วในการชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียมที่เร็วขึ้นเท่านั้น แต่ยังมีความกังวลเกี่ยวกับวิธีรับรองความปลอดภัยของการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมอีกด้วย เนื่องจากเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเป็นครั้งคราว เช่น การระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียม ทำให้เกิดความตึงเครียดทางประสาทอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ข้อกำหนดเบื้องต้นในการแก้ไขปัญหาด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมคือเพื่อให้นักวิทยาศาสตร์มีความเข้าใจอย่างถี่ถ้วนและครอบคลุมเกี่ยวกับสาเหตุของการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียม

คำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันก็คือ การสะสมของลิเธียมบนพื้นผิวอิเล็กโทรดจะก่อให้เกิดเดนไดรต์ ซึ่งจะขยายตัวต่อไป ทำให้เกิดการลัดวงจรภายในแบตเตอรี่ นำไปสู่ความล้มเหลวของแบตเตอรี่หรืออาจเกิดอันตรายจากไฟไหม้ แต่ในอดีตยังขาดวิธีการทางเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการทำความเข้าใจและศึกษาจากมุมมองของโครงสร้างอะตอมแล้วจึงหาวิธีแก้ปัญหา
เทคโนโลยี cryo EM ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2017 ในเดือนนี้ ให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่แข็งแกร่งสำหรับเรื่องนี้ ทีมวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์ Cui Yi จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและ SLAC National Accelerator Laboratory โดยตรงภายใต้กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา รวมถึง Steven Chu ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1997 ได้จับภาพแรกของเดนไดรต์โลหะลิเธียมระดับอะตอมโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอ ( ไครโอ EM) ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติ Science เมื่อวันที่ 27 ตุลาคม ตามเวลาท้องถิ่น
เดนไดรต์โลหะลิเธียมแต่ละชิ้นเป็นผลึกหกเหลี่ยมที่มีรูปร่างยาวและสมบูรณ์ ก่อนหน้านี้ มีเพียงผลึกที่มีรูปร่างผิดปกติเท่านั้นที่ถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน Cui Yi กล่าวว่า "ผลการวิจัยน่าตื่นเต้นมากและได้เปิดศักราชใหม่ของการวิจัยที่เกี่ยวข้อง!"

กล้องจุลทรรศน์ไครโออิเล็กตรอนตามชื่อคือเทคนิคกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้การแช่แข็งเพื่อสังเกตตัวอย่างที่อุณหภูมิต่ำโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) กล้องจุลทรรศน์ไครโออิเล็กตรอนเป็นวิธีการวิจัยทางชีววิทยาโครงสร้างที่สำคัญและเป็นวิธีสำคัญในการได้รับโครงสร้างของชีวโมเลกุล

เนื่องจากรูปภาพเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจกลไก ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์จึงมักอาศัยการใช้ตาเปล่าเพื่อให้ได้ภาพที่มองเห็นของเป้าหมายได้สำเร็จ เชื่อกันมานานแล้วว่า TEM ไม่เหมาะสำหรับการสังเกตชีวโมเลกุล เนื่องจากลำอิเล็กตรอนที่มีกำลังสูงสามารถทำลายวัสดุทางชีวภาพได้ อย่างไรก็ตาม การเกิดขึ้นของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอช่วยให้นักวิจัยสามารถ "แช่แข็ง" สารชีวโมเลกุล และสังเกตและวิเคราะห์กระบวนการเคลื่อนไหวของพวกมันอย่างที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน ลักษณะเฉพาะเหล่านี้มีผลกระทบอย่างชัดเจนต่อความเข้าใจด้านชีวเคมีและการพัฒนาเภสัชวิทยา ดังนั้น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอจึงถูกรวมอยู่ในรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปีนี้ด้วย
สำหรับวัสดุ เช่น ลิเธียม ยังไม่สามารถใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบฉายภาพเพื่อดูผลลัพธ์ในระดับอะตอมของเดนไดรต์ได้ เช่นเดียวกับวัสดุชีวภาพ เมื่อใช้ TEM ที่อุณหภูมิห้อง ขอบของเดนไดรต์จะโค้งงอหรือละลายเนื่องจากการชนของลำแสงอิเล็กตรอน Yanbin Li นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดที่เข้าร่วมในงานนี้กล่าวว่า "การเตรียมตัวอย่างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจะดำเนินการในอากาศ แต่โลหะลิเธียมจะกัดกร่อนในอากาศอย่างรวดเร็ว" เมื่อใดก็ตามที่เราพยายามสังเกตโลหะลิเธียมภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังสูง อิเล็กตรอนจะ 'เจาะรู' ในเดนไดรต์และแม้กระทั่งละลายมันจนหมดด้วยซ้ำ"
Yanbin Li นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดที่เข้าร่วมในการศึกษาครั้งนี้กล่าวว่า "มันเหมือนกับการส่องแว่นขยายบนใบไม้ท่ามกลางแสงแดด อย่างไรก็ตาม หากคุณสามารถทำให้ใบไม้เย็นลงได้ ปัญหานี้จะแก้ไขได้อย่างง่ายดาย: ถ้าคุณเน้นแสง บนใบไม้ ความร้อนก็จะหายไปเช่นกัน และใบไม้จะไม่ได้รับความเสียหาย นี่คือสิ่งที่เราสามารถทำได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ไครโออิเล็กตรอน และความแตกต่างในการถ่ายภาพเมื่อใช้วัสดุแบตเตอรี่ก็ชัดเจนมาก"

ดังนั้น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบไครโอไม่เพียงแต่เป็นการเปิดศักราชใหม่ในสาขาชีวเคมีเท่านั้น แต่ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นโครงสร้างที่สมบูรณ์ของลิเธียมเดนไดรต์ในระดับอะตอมเป็นครั้งแรกอีกด้วย นักวิจัยยังพบว่าเดนไดรต์ในอิเล็กโทรไลต์ที่มีคาร์บอเนตเติบโตในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงจนกลายเป็นเส้นลวดนาโนคริสตัลเดี่ยว บางส่วนอาจพบการผูกปมในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโต แต่โครงสร้างผลึกยังคงไม่บุบสลาย

ยู่จางหลี่ นักศึกษาปริญญาเอกอีกคนหนึ่งจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดที่เข้าร่วมในการวิจัยนี้ กล่าวว่าสามารถมองเห็นมาส์กหน้าแบบเชื่อมต่ออิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ได้ และยังเผยให้เห็นโครงสร้างนาโน SEI ที่แตกต่างกันที่เกิดขึ้นในอิเล็กโทรไลต์ที่แตกต่างกัน เนื่องจากการเคลือบแบบเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นบนอิเล็กโทรดโลหะเมื่อมีการชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่ การควบคุมการสร้างและความเสถียรของแบตเตอรี่ถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ
นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตได้ว่าอิเล็กตรอนพุ่งออกจากอะตอมในเดนไดรต์ด้วยการใช้ไครโอ EM ซึ่งเผยให้เห็นตำแหน่งของอะตอมแต่ละอะตอม นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดระยะห่างระหว่างอะตอมได้ และระยะห่างของอะตอมก็ระบุได้อย่างแม่นยำว่าเป็นอะตอมลิเธียม
ข่าวประชาสัมพันธ์ที่ออกโดย SLAC แสดงให้เห็นว่าภายใต้กล้องจุลทรรศน์ นักวิจัยใช้เทคนิคต่างๆ เพื่อสังเกตวิธีที่อิเล็กตรอนถูกขับออกจากอะตอมของเดนไดรต์ ซึ่งเผยให้เห็นตำแหน่งของอะตอมเดี่ยวในการเคลือบมาส์กหน้าของคริสตัลและส่วนต่อประสานของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง . เมื่อเพิ่มสารเคมีที่ใช้กันทั่วไปเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ โครงสร้างอะตอมของการเคลือบมาส์กหน้าอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์แข็งจะมีความเป็นระเบียบมากขึ้น ซึ่งจะช่วยอธิบายว่าทำไมสารเติมแต่งจึงมีบทบาท
"เรารู้สึกตื่นเต้นมาก นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้ภาพเดนไดรต์ที่มีรายละเอียดเช่นนี้ และยังเป็นครั้งแรกที่เราได้เห็นโครงสร้างนาโนของชั้นมาส์กหน้าส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แข็ง" YanbinLi กล่าวว่า "เครื่องมือนี้สามารถช่วยให้เราเข้าใจบทบาทของอิเล็กโทรไลต์ต่างๆ และเหตุใดอิเล็กโทรไลต์บางชนิดจึงมีผลดีกว่าอิเล็กโทรไลต์ชนิดอื่นๆ"
ข้อมูลที่เกี่ยวข้องที่สังเกตได้จากการทดลองเหล่านี้สามารถให้ความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกความล้มเหลวของแบตเตอรี่ได้ แม้ว่างานนี้จะใช้โลหะลิเธียมเป็นตัวอย่างเพื่อสาธิตการใช้งานจริงของ cryo EM แต่วิธีการนี้อาจขยายไปสู่การศึกษาอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับวัสดุที่ไวต่อลำแสงเช่นลิเธียมซิลิคอนหรือซัลเฟอร์ ทีมวิจัยยังกล่าวอีกว่าพวกเขาวางแผนที่จะมุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจคุณสมบัติทางเคมีและโครงสร้างของชั้นมาส์กหน้าอิเล็กโทรไลต์ชนิดแข็งให้มากขึ้น