Skutečné lithium. Kredit: Li Lab / UCLA.

Lithium je teď skoro naší intimní součástí. Také je velmi mediálně žhavé, z celé řady důvodů. Obklopuje nás v těch nejvíce využívaných zařízeních dnešní doby, především v podobě lithium-iontových nabíjitelných baterií.

Lithium-iontové baterie vznikly z dřívější technologie lithium-kovových baterií, která se tolik nerozvinula. Mělo to dobrý důvod. Lithium-kovové baterie sice mohou pojmout až dvojnásobné množství energie oproti lithium-iontovým bateriím, ale také se mnohem ochotněji vzněcují a vybuchují.

Yuzhang Li. Kredit: Y.Li.

Tým odborníků amerického institutu California NanoSystems na University of California, Los Angeles (UCLA) nedávno přišel se zásadním objevem, který by mohl vést k bezpečnějším lithium-kovovým bateriím a vrátit je tak do hry. Podstatou objevu je odhalení, jak ve skutečnosti vypadá lithium. Je z toho nejen publikace v Nature, ale přímo obálka dotyčného čísla Nature. V dnešní vědě jen velice těžko dosáhnete vyšší mety.

Nahoře opravdové lithium, pod ním 4 varianty deformací lithia vytvořených korozí. Kredit: Li Lab / UCLA.

Zní to nepochybně zvláštně, ale doposud nikdo s jistotou nevěděl, jak všudypřítomné lithium doopravdy vypadá. Vtip je v tom, že kovové lithium je extrémně reaktivní. Jakmile se někde objeví, třeba na povrchu elektrod, tak ho nesmírnou rychlostí pohltí koroze, která prakticky okamžitě změní jeho povrchovou strukturu. Teoretické předpovědi samozřejmě byly, ale nikdo neměl jistotu.

Yuzhang Li a jeho spolupracovníci vyvinuli důvtipný postup nanášení lithia na povrch elektrody ultrarychlou depozicí, který brání korozi. Pak jako první na světě uviděli, jaké lithium doopravdy je, tedy v mikroskopu. O kovovém lithiu byly sepsány tisíce odborných publikací. Všechny ale popisují jeho tvar s nevysloveným odporem, čili v odborném žargonu „kvantitativně,“ jako chuchvalcovitý nebo třeba sloupcovitý. Tyto struktury vzniklé korozí přitom významně zvyšují riziko zkratů a katastrofálních nehod baterií.

Lithium všechny překvapilo. Nejprve Liovu laboratoř, pak celý svět. Když badatelé nedopustili korozi povrchu lithia, objevily se před jejich užaslými zraky elegantní tvary v podobě rombického dodekaedru, čili kosočtverečného dvanáctistěnu. Je to typický tvar například pro krystaly granátu.

Badatelé postupovali tak, že se snažili bleskurychlou korozi předběhnout. Používali velmi malé elektrody a zkoušeli různé elektrolyty. Vytvořené struktury poté prohlíželi kryoelektronovým mikroskopem (cryo-EM). Nakonec uspěli a pozorovali rombické dodekaedry lithia o velikosti pouhé 2 mikrometry, tedy velké zhruba jako bakterie.

Video: Aionics Fortnightly (January 25, 2022): Illuminating the Invisible with Cryo-EM, with Yuzhang Li

Literatura

UCLA 4. 8. 2023.

Nature 620: 86–91.