首次观测到锂电池起火原子级图像，冷冻电镜变电池研究“大杀器” 随着电动汽车近年来的广泛应

随着电动汽车近年来的广泛应用，开发新工具和设计新材料是电池储能技术未来突破的关键因素。开发新工具将有助于揭示导致电池失效的基本过程，并为更好的材料设计的提供有力指导。这两种主旨之间的协同作用不仅将在短期内带来实际应用，而且有助于稳定高能电池材料的长期解决方案。
加州大学洛杉矶分校（UCLA）工程学院助理教授李煜章和团队连续几年获得了不少重磅成果，例如，首次捕捉到锂电池起火原因的原子级图像，为开发更安全的电池提供了保障。还开发了已获得商业许可的使用石墨烯笼封装技术来改善电池稳定性的方法，已经申请专利。除电池外，在金属有机骨架和对气体分子的成像的原子洞察力方面也有了可喜的研究结果。
硅电池无法稳定充电？石墨烯笼封装技术助实现
高能锂电池化学成分如硅、金属锂、硫等可促进从化石燃料向可再生能源（太阳能、风能）的转变。硅的容量是传统电池材料的10倍以上，但是由于在充电和放电过程中，硅材料会断裂并失去电接触，从而使破碎的粒子失去活性导致硅电池不能再充电。
2013年，李煜章开始在斯坦福大学材料科学与工程专业学习，第一个研究项目是石墨烯和硅的材料。 “因为研究项目必须使用电镜来观察石墨烯等材料的原子层，所以我积累了很多操作经验。并不是每个人都会很好地使用电镜，所以在那之前我已经投入了一两年的时间，来学会熟练操作仪器。 ”
该项目始于李煜章对硅电池如何失效的大量研究，硅微粒是低成本的替代品，但是与硅纳米微粒不同，硅微粒在电化学循环过程中遭受不可避免的颗粒破裂，所以应用在实际电池中难以实现稳定循环。
因此，李煜章和团队研究了一种使用合成的多层石墨烯“笼子”封装硅微粒（约1-3μm）的方法。石墨烯笼在循环充电过程中充当机械强度高且柔软的缓冲膜，即使微粒在笼中膨胀和破裂，也能够在颗粒和电极水平上保持电连通性。此外，化学惰性的石墨烯笼形成稳定的固体电解质界面，从而最大程度地减少了不可逆的锂离子消耗，并在早期循环中迅速提高了库仑效率。
李煜章对DeepTech说， “我们想看看是否可以从不是纳米级的廉价材料能够使硅工作，这是非常困难的，因为大的硅颗粒会在电池充电、放电过程中破裂。 ”

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图丨石墨烯封装的硅设计（来源：UCLA）
李煜章认为石墨烯将是防止这种失效模式的良好涂层，但在研究的过程中发现，不能简单地将石墨烯和硅混合在一起，就期待能实现良好的性能。相反，必须将石墨烯直接生长在每个硅颗粒上。
即使在全电池电化学测试中，对于稳定循环的要求也很严格，使用石墨烯笼罩的硅微粒也可以实现稳定循环（100个循环；90％的容量保持率）。这种石墨烯笼封装技术已提交专利申请，它能实现比传统材料4倍以上的比容量，并使稳定的硅充电超过300倍。
该研究项目首次证明了通过将每个硅颗粒封装在石墨烯笼中，破裂的碎片依然具有电化学活性。也就是说，它验证了即使硅颗粒破裂，电池仍然可以稳定循环、不会起火的方法。

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图丨李煜章（来源：受访者提供）
“现在，在加州大学洛杉矶分校的实验室中，我和我的团队正在探索的项目之一是如何以商业上可行的方式合成这些石墨烯笼，因为迄今为止，该石墨烯笼硅微粒结构仍然是具有最佳性能的微米级硅。 ”
大胆创新，使锂电池原子成像变为可能
可再生能源对于车辆电气化以及来自风能、太阳能等清洁能源的存储至关重要。李煜章与斯坦福大学Precourt能源研究中心主任崔屹教授一起开发下一代电池。
李煜章对DeepTech表示，在攻读博士学位期间，他的工作涵盖了技术创新所需的广泛阶段。 “第一，开发新工具以发现相关的机理；第二，设计和合成独特的材料以解决关键的技术瓶颈；第三，对该技术申请专利用于实际应用。 ”
研究的整个过程并非一帆风顺，一开始的时候研究进展并不明显。如果将材料放在电镜里，必须得是很细、很薄的透明的。 “由于电池体积较大，这从操作层面上来说是很难的，所以刚开始的主要任务是要把电池切得特别薄。 ”
在室温下，锂金属非常活泼，在将样品转移到TEM色谱柱中的短暂空气暴露时会腐蚀。另外，低熔点和弱原子键使轻质锂原子在电子束下极不稳定。