Според съобщения в чуждестранни медии, група изследователи от Националната лаборатория в Брукхейвън (Brookhaven National Laboratory) на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) е определила нови подробности за вътрешния механизъм на реакция на литиево-металните анодни батерии. , Важна стъпка за по-евтини батерии за електрически превозни средства.

Изследователи на батерии в Националната лаборатория в Брукхейвън (Източник на изображението: Брукхейвънска национална лаборатория)

Възстановяване на литиев анод

От смарт телефони до електрически превозни средства можем да видим традицията. Въпреки че литиевите батерии са позволили много технологии да бъдат широко използвани, те все още са изправени пред предизвикателства при осигуряването на енергия на дълги разстояния за електрически превозни средства.

Battery500, съюз, ръководен от университетски изследователи, финансиран от Тихоокеанската северозападна национална лаборатория (PNNL) на Министерството на енергетиката на САЩ и Министерството на енергетиката на САЩ, има за цел да създаде батерия с енергийна плътност от 500 Wh/kg. С други думи, това е два пъти по-голяма енергийна плътност от днешните най-модерни батерии. За тази цел алиансът се фокусира върху батерии, изработени от литиеви метални аноди.

Литиево-металните батерии използват метален литий като анод. За разлика от тях повечето литиеви батерии използват графит като анод. „Литиевият анод е един от ключовите фактори за постигане на целта за енергийна плътност на Battery500“, казаха изследователите. „Предимството е, че енергийната плътност е два пъти по-голяма от тази на съществуващите батерии. Първо, специфичният капацитет на анода е много висок; второ, можете да имате батерия с по-високо напрежение и комбинацията от двете може да има по-висока енергийна плътност.”

Учените отдавна са признали предимствата на литиевите аноди; всъщност литиевият метален анод е първият анод, свързан към катода на батерията. Въпреки това, поради липсата на „реверсивност“ на анода, тоест способността да се зарежда чрез обратима електрохимична реакция, изследователите на батерии в крайна сметка използват графитни аноди вместо литиеви метални аноди, за да направят литиеви батерии.

Сега, след десетилетия напредък, изследователите са уверени, че ще реализират обратим литиев метален анод, за да прокарат границите на литиевите батерии. Ключът е интерфейсът, твърд материален слой, който се образува върху електродите на батерията по време на електрохимичната реакция.

„Ако можем напълно да разберем този интерфейс, той може да предостави важни насоки за дизайна на материала и производството на обратими литиеви аноди“, казаха изследователите. „Но разбирането на този интерфейс е доста предизвикателство, защото той е много тънък слой материал, дебел само няколко нанометра и е чувствителен към въздух и влажност, така че боравенето с проби е трудно.

Този интерфейс се визуализира в NSLS-II

За да решат тези предизвикателства и да „видят“ химическия състав и структурата на интерфейса, изследователите са използвали Националния източник на светлина за синхротронно лъчение II (NSLS-II), потребителско съоръжение на Научния офис на DOE на Националната лаборатория в Брукхейвън, който произвежда супер ярки рентгенови лъчи за изследване на материалните свойства на интерфейса в атомен мащаб.

В допълнение към използването на разширените възможности на nSLS-II, екипът също трябва да използва лъчева линия (експериментална станция), която може да открие всички компоненти на интерфейса, и да използва високоенергийни (късовълнови) рентгенови лъчи за откриване на кристални и аморфни фази.

„Екипът по химия възприе многорежимния подход на XPD, използвайки две различни техники, предоставени от анализа на линията на лъча, рентгеновата дифракция (XRD) и функцията на разпределение (PDF),” казаха изследователите. “XRD може да изследва кристални фази, а PDF може да изследва аморфни фази.”

XRD и PDF анализът разкри вълнуващи резултати: Литиев хидрид (LiH) съществува в интерфейса. В продължение на десетилетия учените спорят за съществуването на LiH в интерфейса, създавайки несигурност относно основния механизъм на реакция, който формира интерфейса.

„LiH и литиевият флуорид (LiF) имат много сходни кристални структури. Нашето твърдение за откриването на LiH беше поставено под въпрос от някои хора, които вярват, че бъркаме LiF с LiH“, каза изследователят.

С оглед на противоречията, включени в проучването и техническите предизвикателства за разграничаване на LiH от LiF, изследователският екип реши да предостави множество доказателства за съществуването на LiH, включително провеждане на експерименти с излагане на въздух.

„Изследователите казаха: „LiF е стабилен във въздуха, но LiH е нестабилен. Ако изложим интерфейса на влажен въздух и ако количеството на съединението намалява с времето, можем да потвърдим, че наистина виждаме LiH, а не LiF и това е LiF. Поради трудността за разграничаване на LiH от LiF и експериментът с излагане на въздух никога не е провеждан преди, LiH най-вероятно ще бъде объркан с LiF в много литературни доклади или не се наблюдава поради разлагане на LiH във влажна среда. ”

— продължи изследователят. „Работата по подготовката на пробите, извършена от PNNL, е от решаващо значение за това изследване. Подозираме, че много хора не успяват да идентифицират LiH, защото техните проби са били изложени на влажна среда преди експеримента. Ако не сте събрали правилно пробите, запечатайте пробите и пробите за доставка, може да пропуснете LiH. ”

В допълнение към потвърждаването на съществуването на LiH, екипът разреши и друга дългогодишна мистерия около LiF. LiF отдавна се смята за полезен компонент на интерфейса, но никой не разбира напълно причината. Екипът определи структурните разлики на LiF в интерфейса и повечето от структурните разлики на самия LiF и установи, че първият насърчава транспортирането на литиеви йони между анода и катода.

Учените по батерии от Националната лаборатория в Брукхейвън, други национални лаборатории и университети продължават да си сътрудничат. Изследователите казаха, че тези резултати ще осигурят така необходимите практически насоки за разработването на литиеви метални аноди.