Паводле паведамленняў замежных СМІ, група даследчыкаў Брукхейвенскай нацыянальнай лабараторыі (Brookhaven National Laboratory) Міністэрства энергетыкі ЗША (DOE) вызначыла новыя падрабязнасці механізму ўнутранай рэакцыі літый-металічных анодных батарэй. , Важны крок для патаннення акумулятараў для электрычных транспартных сродкаў.

Даследнікі батарэі ў Брукхейвенскай нацыянальнай лабараторыі (Крыніца выявы: Брукхейвенская нацыянальная лабараторыя)

Аднаўленне літыевага анода

Ад смартфонаў да электрамабіляў, мы бачым традыцыю. Нягледзячы на ​​тое, што літыевыя батарэі дазволілі шырока выкарыстоўваць многія тэхналогіі, яны па-ранейшаму сутыкаюцца з праблемамі ў забеспячэнні электрычным транспартным сродкам на вялікія адлегласці.

Battery500, альянс на чале з універсітэцкімі даследчыкамі, які фінансуецца Ціхаакіянскай паўночна-заходняй нацыянальнай лабараторыяй (PNNL) Міністэрства энергетыкі ЗША і Міністэрствам энергетыкі ЗША, мае на мэце стварыць акумулятарную ячэйку з шчыльнасцю энергіі 500 Вт·г/кг. Іншымі словамі, гэта ўдвая большая шчыльнасць энергіі, чым у сучасных батарэй. З гэтай мэтай альянс робіць акцэнт на батарэях з металічных літыевых анодаў.

У літыевых батарэях у якасці анода выкарыстоўваецца металічны літый. У адрозненне ад гэтага, большасць літыевых батарэй выкарыстоўваюць графіт у якасці анода. «Літыевы анод з’яўляецца адным з ключавых фактараў у дасягненні мэты шчыльнасці энергіі Battery500», – сказалі даследчыкі. «Перавага ў тым, што шчыльнасць энергіі ў два разы больш, чым у існуючых батарэй. Па-першае, удзельная ёмістасць анода вельмі высокая; па-другое, у вас можа быць батарэя больш высокага напружання, а спалучэнне гэтых двух можа мець больш высокую шчыльнасць энергіі».

Навукоўцы даўно прызналі перавагі літыевых анодаў; на самай справе, металічны літый анод – гэта першы анод, злучаны з катодам батарэі. Аднак з-за адсутнасці «зваротнасці» анода, гэта значыць здольнасці зараджацца праз зварачальна электрахімічную рэакцыю, даследчыкі батарэі ў канчатковым выніку выкарыстоўвалі графітавыя аноды замест металічных літыевых анодаў для вырабу літыевых батарэй.

Цяпер, пасля дзесяцігоддзяў прагрэсу, даследчыкі ўпэўненыя, што рэалізуюць зварачальны металічны літыйны анод, каб рассунуць межы літыевых батарэй. Ключом з’яўляецца інтэрфейс, пласт цвёрдага матэрыялу, які ўтвараецца на электродах батарэі падчас электрахімічнай рэакцыі.

«Калі мы зможам цалкам зразумець гэты інтэрфейс, ён можа даць важныя ўказанні для распрацоўкі матэрыялаў і вытворчасці зварачальных літыевых анодаў», — сказалі даследчыкі. «Але зразумець гэты інтэрфейс даволі складана, таму што гэта вельмі тонкі пласт матэрыялу, таўшчынёй усяго некалькі нанаметраў, і ён адчувальны да паветра і вільготнасці, таму апрацоўваць ўзоры складана».

Гэты інтэрфейс візуалізуецца ў NSLS-II

Для таго, каб вырашыць гэтыя праблемы і «ўбачыць» хімічны склад і структуру інтэрфейсу, даследчыкі выкарыстоўвалі Нацыянальны крыніца святла сінхратроннага выпраменьвання II (NSLS-II), карыстацкі аб’ект навуковага бюро Міністэрства навукі Брукхейвенскай нацыянальнай лабараторыі, які вырабляе суперяркія рэнтгенаўскія прамяні для вывучэння уласцівасцяў матэрыялу інтэрфейсу ў атамным маштабе.

У дадатак да выкарыстання пашыраных магчымасцяў nSLS-II, каманда таксама павінна выкарыстоўваць лінію прамяня (эксперыментальная станцыя), якая можа выяўляць усе кампаненты інтэрфейсу, і выкарыстоўваць высокаэнергетычныя (кароткахвалевыя) рэнтгенаўскія прамяні для выяўлення крышталічных і аморфныя фазы.

«Каманда па хіміі прыняла шматрэжымны падыход XPD, выкарыстоўваючы дзве розныя методыкі, якія забяспечваюцца шляхам аналізу прамянёвай лініі, рэнтгенаўскай дыфракцыі (XRD) і функцыі размеркавання (PDF), — сказалі даследчыкі. «XRD можа вывучаць крышталічныя фазы, а PDF можа вывучаць аморфныя фазы».

Аналіз XRD і PDF паказаў захапляльныя вынікі: у інтэрфейсе існуе гідрыд літыя (LiH). На працягу дзесяцігоддзяў навукоўцы спрачаюцца аб існаванні LiH ў інтэрфейсе, ствараючы нявызначанасць адносна асноўнага механізму рэакцыі, які ўтварае інтэрфейс.

«LiH і фтарыд літыя (LiF) маюць вельмі падобныя крышталічныя структуры. Наша сцвярджэнне аб адкрыцці LiH было пастаўлена пад сумнеў некаторымі людзьмі, якія лічаць, што мы памыляем LiF з LiH», – сказаў даследчык.

У сувязі з супярэчнасцямі, уцягнутымі ў даследаванне, і тэхнічнымі праблемамі адрознення LiH ад LiF, даследчая група вырашыла прадставіць мноства доказаў існавання LiH, у тым ліку правядзенне эксперыментаў з уздзеяннем паветра.

«Даследчыкі сказалі: «LiF стабільны ў паветры, але LiH няўстойлівы. Калі мы падвяргаем інтэрфейс вільготнаму паветры, і калі колькасць злучэння з часам памяншаецца, мы можам пацвердзіць, што мы сапраўды бачым LiH, а не LiF, і гэта LiF. З-за цяжкасці адрознення LiH ад LiF і эксперымент з уздзеяннем паветра ніколі раней не праводзіўся, у многіх літаратурных паведамленнях, хутчэй за ўсё, LiH будзе прыняты за LiF, або ён не назіраецца з-за раскладання LiH ў вільготным асяроддзі. ”

— працягваў даследчык. «Праца па падрыхтоўцы пробы, праведзеная PNNL, мае вырашальнае значэнне для гэтага даследавання. Мы падазраем, што многія людзі не могуць ідэнтыфікаваць LiH, таму што іх узоры падвяргаліся ўздзеянню вільготнага асяроддзя перад эксперыментам». Калі вы не сабралі ўзоры правільна, не запячатвалі ўзоры і ўзоры дастаўкі, вы можаце прапусціць LiH. ”

У дадатак да пацверджання існавання LiH, каманда таксама разгадала яшчэ адну даўнюю таямніцу вакол LiF. LiF доўгі час лічыўся карысным кампанентам інтэрфейсу, але ніхто да канца не разумее прычыну. Каманда вызначыла структурныя адрозненні LiF у межах стыку і большасць структурных адрозненняў самога LiF і выявіла, што першы спрыяў транспарту іёнаў літыя паміж анодам і катодам.

Навукоўцы-батарэі з Брукхейвенскай нацыянальнай лабараторыі, іншых нацыянальных лабараторый і універсітэтаў працягваюць супрацоўніцтва. Даследчыкі заявілі, што гэтыя вынікі стануць вельмі неабходнымі практычнымі ўказаннямі па распрацоўцы металічных літыевых анодаў.