Volgens buitelandse mediaberigte het ‘n groep navorsers by die Brookhaven National Laboratory (Brookhaven National Laboratory) van die Amerikaanse departement van energie (DOE) nuwe besonderhede oor die interne reaksiemeganisme van litiummetaalanodebatterye vasgestel. , ‘n Belangrike stap vir goedkoper elektriese voertuigbatterye.

Batterynavorsers by Brookhaven National Laboratory (Beeldbron: Brookhaven National Laboratory)

Hervervaardiging van litiumanode

Van slimfone tot elektriese voertuie, ons kan die tradisie sien. Alhoewel litiumbatterye baie tegnologieë in staat gestel het om wyd gebruik te word, staar hulle steeds uitdagings in die gesig om langafstandkrag vir elektriese voertuie te voorsien.

Battery500, ‘n alliansie gelei deur universiteitsnavorsers wat deur die Amerikaanse departement van energie se Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en die Amerikaanse departement van energie befonds word, beoog om ‘n batterysel met ‘n energiedigtheid van 500Wh/kg te skep. Met ander woorde, dit is twee keer die energiedigtheid van vandag se mees gevorderde batterye. Vir hierdie doel fokus die alliansie op batterye gemaak van litiummetaalanodes.

Litiummetaalbatterye gebruik litiummetaal as die anode. In teenstelling hiermee gebruik die meeste litiumbatterye grafiet as die anode. “Die litiumanode is een van die sleutelfaktore om die Battery500-energiedigtheiddoelwit te bereik,” het die navorsers gesê. “Die voordeel is dat die energiedigtheid twee keer dié van bestaande batterye is. Eerstens is die spesifieke kapasiteit van die anode baie hoog; tweedens kan jy ‘n hoër spanning battery hê, en die kombinasie van die twee kan ‘n hoër energiedigtheid hê.

Wetenskaplikes het lankal die voordele van litiumanodes erken; trouens, die litiummetaalanode is die eerste anode wat aan die batterykatode gekoppel is. As gevolg van die gebrek aan “omkeerbaarheid” van die anode, dit wil sê die vermoë om deur ‘n omkeerbare elektrochemiese reaksie te laai, het batterynavorsers egter uiteindelik grafietanodes in plaas van litiummetaalanodes gebruik om litiumbatterye te maak.

Nou, na dekades van vordering, is navorsers vol vertroue om ‘n omkeerbare litiummetaalanode te realiseer om die grense van litiumbatterye te verskuif. Die sleutel is die koppelvlak, die soliede materiaallaag wat tydens die elektrochemiese reaksie op die battery se elektrodes vorm.

“As ons hierdie koppelvlak ten volle kan verstaan, kan dit belangrike leiding verskaf vir die materiaalontwerp en vervaardiging van omkeerbare litiumanodes,” het die navorsers gesê. “Maar om hierdie koppelvlak te verstaan ​​is nogal ‘n uitdaging, want dit is ‘n baie dun laag materiaal, slegs ‘n paar nanometer dik, en dit is sensitief vir lug en humiditeit, so die hantering van monsters is moeilik.”

Hierdie koppelvlak word in NSLS-II gevisualiseer

Om hierdie uitdagings op te los en die chemiese samestelling en struktuur van die koppelvlak te “sien”, het die navorsers die National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II) gebruik, ‘n gebruikersfasiliteit van die DOE Science Office van Brookhaven National Laboratory, wat produseer super helder X-strale om die materiaal eienskappe van die koppelvlak op die atoomskaal te bestudeer.

Benewens die gebruik van die gevorderde vermoëns van nSLS-II, moet die span ook ‘n straallyn (eksperimentele stasie) gebruik wat alle komponente van die koppelvlak kan opspoor, en hoë-energie (kortgolflengte) X-strale gebruik om kristallyne op te spoor en amorfe fases.

“Die chemie-span het die XPD-multimodusbenadering aangeneem, met behulp van twee verskillende tegnieke wat deur die straallyn verskaf word, X-straaldiffraksie (XRD) en verspreidingsfunksie (PDF)-analise,” het die navorsers gesê. “XRD kan kristallyne fases bestudeer, en PDF kan amorfe fases bestudeer.”

XRD- en PDF-analise het opwindende resultate aan die lig gebring: Litiumhidried (LiH) bestaan ​​in die koppelvlak. Wetenskaplikes stry al dekades lank oor die bestaan ​​van LiH in die koppelvlak, wat onsekerheid skep oor die basiese reaksiemeganisme wat die koppelvlak vorm.

“LiH en litiumfluoried (LiF) het baie soortgelyke kristalstrukture. Ons bewering oor die ontdekking van LiH is bevraagteken deur sommige mense wat glo dat ons LiF vir LiH verwar,” het die navorser gesê.

In die lig van die kontroversie betrokke by die studie en die tegniese uitdagings om LiH van LiF te onderskei, het die navorsingspan besluit om verskeie bewyse vir die bestaan ​​van LiH te verskaf, insluitend die uitvoer van lugblootstellingseksperimente.

“Navorsers het gesê: “LiF is stabiel in lug, maar LiH is onstabiel. As ons die koppelvlak aan vogtige lug blootstel, en as die hoeveelheid verbinding met verloop van tyd afneem, kan ons bevestig dat ons inderdaad LiH sien, nie LiF nie, en dit is LiF. As gevolg van die moeilikheid om LiH van LiF te onderskei en die lugblootstellingseksperiment is nog nooit vantevore uitgevoer nie, is dit heel waarskynlik dat LiH in baie literatuurverslae met LiF verwar word, of dit word nie waargeneem nie as gevolg van LiH-ontbinding in ‘n vogtige omgewing. ”

Die navorser het voortgegaan. “Die voorbeeldvoorbereidingswerk wat deur PNNL gedoen is, is van kritieke belang vir hierdie navorsing. Ons vermoed dat baie mense nie LiH identifiseer nie omdat hul monsters voor die eksperiment aan ‘n vogtige omgewing blootgestel is.” As jy nie die monsters korrek versamel het nie, verseël die monsters en versending van monsters, kan jy LiH mis. ”

Benewens die bevestiging van die bestaan ​​van LiH, het die span ook nog ‘n langdurige raaisel rondom LiF opgelos. LiF is lank reeds beskou as ‘n voordelige komponent van die koppelvlak, maar niemand verstaan ​​die rede ten volle nie. Die span het die strukturele verskille van LiF binne die koppelvlak en meeste van die strukturele verskille van LiF self bepaal, en gevind dat eersgenoemde die vervoer van litiumione tussen die anode en die katode bevorder het.

Batterywetenskaplikes van Brookhaven Nasionale Laboratorium, ander nasionale laboratoriums en universiteite gaan voort om saam te werk. Die navorsers het gesê dat hierdie resultate broodnodige praktiese leiding sal verskaf vir die ontwikkeling van litiummetaalanodes.